綜采面采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)的研究

賈璐璐

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西晉城 048400）

當(dāng)前我國(guó)的煤礦開(kāi)采深度不斷增大，再加上煤礦開(kāi)采不斷實(shí)現(xiàn)集約化建設(shè)，在開(kāi)采環(huán)節(jié)中瓦斯涌出量日益增多，所以造成很多瓦斯隱患，極大地影響煤礦開(kāi)采的安全性。就當(dāng)前的煤礦瓦斯涌出情況分析發(fā)現(xiàn)，很多都是采空區(qū)瓦斯的情況。因此，應(yīng)用綜采工作面采空區(qū)瓦斯綜合治理技術(shù)分析，對(duì)于提升煤礦開(kāi)采的安全性產(chǎn)生積極的意義。

1 工程概況

某礦區(qū)內(nèi)7號(hào)綜采工作面的年產(chǎn)量為6Mt，設(shè)計(jì)為抽出式通風(fēng)的中央并列通風(fēng)式。礦井的主要技術(shù)參數(shù)如下：進(jìn)風(fēng)量為23503m3/min，回風(fēng)量為23841m3/min；整個(gè)礦井的通風(fēng)負(fù)壓為2950Pa。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察分析發(fā)現(xiàn)，需要開(kāi)采的煤層平均厚度為6.24m，走向長(zhǎng)度為825.2m，全部選擇應(yīng)用長(zhǎng)壁式綜合機(jī)械化開(kāi)采的方法，在工作面頂板使用的是一次全高全部垮落法，采高為3.6m，放煤高度是2.17m。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，該煤層內(nèi)的工作面平均瓦斯含量是9.7m3/t，具體情況可見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)對(duì)該煤層進(jìn)行瓦斯抽采，確定其濃度在25%～40%之間。

表1 7號(hào)煤層工作面底板情況

2 綜采工作面采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律

2.1 規(guī)律

綜采工作面采空區(qū)包含多個(gè)結(jié)構(gòu)部分，有上覆巖層垮落、殘煤等，包含多種孔隙結(jié)構(gòu)部分。經(jīng)過(guò)分析該面的實(shí)際情況，采空區(qū)內(nèi)矸石、煤整體等組成壓實(shí)度氣流速度有著較大的差異，且風(fēng)壓存在著很大的變化?；夭勺鳂I(yè)中新鮮風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入到巷道內(nèi)，有些受到污染的風(fēng)會(huì)經(jīng)過(guò)回風(fēng)巷排放出去，這種情況下，會(huì)將部分瓦斯帶出去，并且可以通入到工作面內(nèi)。經(jīng)過(guò)對(duì)工作面的開(kāi)采狀況分析，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)淺部整體性較差，漏風(fēng)的問(wèn)題較為嚴(yán)重，且有部分出現(xiàn)紊流的情況，受到壓差的持續(xù)影響，整體會(huì)隨著風(fēng)向移動(dòng)。采空區(qū)后部范圍內(nèi)，整體處于層流的狀態(tài)，并且移動(dòng)速度比較緩慢。

在回采的環(huán)節(jié)，采空區(qū)瓦斯主要是如下幾個(gè)來(lái)源：其一，沒(méi)有及時(shí)采出而殘留的煤炭導(dǎo)致內(nèi)部有瓦斯材料，并且在開(kāi)采逐步進(jìn)行時(shí)，瓦斯量不斷減少。其二，頂板與周圍煤巖內(nèi)的瓦斯比較多。其三，回采環(huán)節(jié)，有些落煤瓦斯會(huì)隨著風(fēng)進(jìn)入到采空區(qū)。其四，煤壁瓦斯進(jìn)入到采空區(qū)，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采為全煤巷道，采空區(qū)暴露的情況下，容易有部分瓦斯進(jìn)入。

2.2 采空區(qū)瓦斯危害

經(jīng)過(guò)理論分析，了解到煤礦開(kāi)采的實(shí)際情況，綜采工作面內(nèi)采空區(qū)瓦斯有下述危害：

（1）采空區(qū)內(nèi)的空氣壓力一般是1 個(gè)大氣壓左右，因?yàn)榛夭森h(huán)節(jié)，瓦斯會(huì)持續(xù)進(jìn)入到采空區(qū)，內(nèi)部壓力會(huì)升高，采空區(qū)瓦斯會(huì)持續(xù)性進(jìn)入到工作區(qū)，而采空區(qū)內(nèi)會(huì)不斷地有瓦斯涌入，進(jìn)而形成“瓦斯庫(kù)”，只要是受到壓力作用，就會(huì)涌出到工作面，影響人們的安全。

（2）要想提高作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全性，應(yīng)該給作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)持續(xù)性通入新鮮空氣稀釋瓦斯?jié)舛?，也能減小粉塵的濃度，營(yíng)造出良好作業(yè)環(huán)境。系統(tǒng)供風(fēng)環(huán)節(jié)，因?yàn)槁╋L(fēng)的影響，有些風(fēng)流進(jìn)入到采空區(qū)，而有些風(fēng)流通過(guò)工作面流向風(fēng)側(cè)，采空區(qū)風(fēng)流與工作面在上隅角匯合，從而導(dǎo)致該位置上瓦斯?jié)舛壬?，容易引發(fā)較為嚴(yán)重的危害。

（3）采空區(qū)瓦斯因?yàn)榇髿鈮旱某掷m(xù)性變化影響，造成現(xiàn)場(chǎng)的采空區(qū)體積出現(xiàn)了很大的變化，最終把濃度較高的瓦斯氣體引入到工作面上。在工作面的瓦斯?jié)舛容^高的情況下，人員進(jìn)入到內(nèi)部容易出現(xiàn)窒息現(xiàn)象，遇明火會(huì)發(fā)生爆炸，極大地危害人們的生命健康安全，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)采正常進(jìn)行也造成不利影響。

3 綜采工作面瓦斯綜合治理技術(shù)應(yīng)用

3.1 瓦斯抽采現(xiàn)狀分析

在本次采礦作業(yè)中7 號(hào)煤層的工作面應(yīng)用的是永久抽采瓦斯系統(tǒng)完成抽采作業(yè)。在這種抽采方式應(yīng)用時(shí)，效果比較差，造成采空區(qū)出現(xiàn)瓦斯?jié)舛缺容^高的情況，對(duì)于工作面正常運(yùn)行的效果帶來(lái)不利的影響。根據(jù)了解目前的7號(hào)煤層工作面的具體情況，掌握處理技術(shù)，分析總結(jié)影響因素。其一，目前的瓦斯治理的方法中抽采系統(tǒng)內(nèi)的瓦斯支管長(zhǎng)度間隔距離在120m以上，且每一條瓦斯支管所產(chǎn)生的抽采作用力較小，造成抽采量不足，影響后續(xù)工作的開(kāi)展。其二，技術(shù)人員掌握了現(xiàn)場(chǎng)瓦斯移動(dòng)的規(guī)律，并且進(jìn)行模擬分析，了解該現(xiàn)場(chǎng)瓦斯作業(yè)面出現(xiàn)了分層的情況，這一現(xiàn)象是造成抽采效果比較差的主要原因。其三，在瓦斯抽采的環(huán)節(jié)，制定的工作方案隨著綜采工作面推進(jìn)速度匹配，實(shí)施抽采負(fù)壓作業(yè)，其實(shí)際應(yīng)用的負(fù)壓較低，所以造成抽采的效果比較差，根本無(wú)法達(dá)到使用的需要，工作效果難以提高。

3.2 瓦斯綜合治理技術(shù)應(yīng)用

分析目前的抽采方案，了解到抽采效果較差，煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)容易導(dǎo)致瓦斯涌出量過(guò)大，對(duì)于人們生命安全、煤礦開(kāi)采作業(yè)的進(jìn)行產(chǎn)生極為不利的影響。因此，在現(xiàn)場(chǎng)工作面進(jìn)行抽采作業(yè)的基礎(chǔ)之下，通過(guò)使用高位鉆的方式進(jìn)行綜合性治理，以規(guī)避不利因素。分析該煤層的工作面條件，按照?qǐng)D1 設(shè)置高位鉆孔抽采方案。

圖1 高位鉆孔布置示意圖

工作面高位鉆孔的參數(shù)如表2所示。

表2 7號(hào)煤層所屬工作面高位鉆孔參數(shù)（部分）

為了全面提升抽采的質(zhì)量和效率，把高位鉆孔設(shè)置在工作面頂部；為了盡量地規(guī)避漏風(fēng)問(wèn)題，減小漏風(fēng)量，在臨近工作面密閉部位上不進(jìn)行瓦斯抽采；為了預(yù)防抽采環(huán)節(jié)負(fù)壓過(guò)低的情況，可以結(jié)合實(shí)際需要增大抽采負(fù)壓。該項(xiàng)目通過(guò)設(shè)置高位鉆孔抽采的方式，發(fā)現(xiàn)整個(gè)工作面內(nèi)瓦斯?jié)舛葴p小，涌出量也在降低，每日煤炭產(chǎn)量提升約23.9%；經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工作面回流瓦斯?jié)舛仍?.5%左右，上隅角瓦斯?jié)舛燃s為0.6%。

4 綜采工作面采空區(qū)瓦斯綜合治理技術(shù)要點(diǎn)

4.1 內(nèi)錯(cuò)尾巷埋管抽放技術(shù)要點(diǎn)

應(yīng)用這一施工技術(shù)后，把尾巷設(shè)置在回風(fēng)巷道的內(nèi)側(cè)，方向與回風(fēng)巷保持平行的狀態(tài)，沿著煤層頂板開(kāi)展巷道掘進(jìn)，并且將回風(fēng)巷與尾巷設(shè)置多條聯(lián)絡(luò)的巷道，根據(jù)需要設(shè)置抽放管道，并且將其安裝到尾巷中并在管道終端與采空區(qū)連接，進(jìn)而可以設(shè)置形成整體通風(fēng)巷道。針對(duì)于進(jìn)風(fēng)巷道的風(fēng)流，有些是進(jìn)入到工作面上的，還有些進(jìn)入到回風(fēng)巷內(nèi)，并且基本上都抽入到回風(fēng)巷內(nèi)，還有些通過(guò)采空區(qū)排放出去，降低瓦斯?jié)舛?，并且全部都排放到巷道?nèi)，再進(jìn)入到工作面回風(fēng)巷道中。在本次設(shè)置的環(huán)節(jié)，一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)錯(cuò)巷道回風(fēng)巷的間距保持在12m左右，在設(shè)置吸風(fēng)口環(huán)節(jié)，沿著工作面走向布置，然后進(jìn)入到煤壁采空區(qū)，并且深度超過(guò)5m。同時(shí)，為了更好地消除上隅角瓦斯的問(wèn)題，在設(shè)置吸風(fēng)口的環(huán)節(jié)，也就是在工作面上隅角部位從底板高出5m左右，具體設(shè)置如圖2所示。

圖2 內(nèi)錯(cuò)巷埋管瓦斯布置圖

在本次研究中應(yīng)用該巷道設(shè)置方式，不僅把尾巷設(shè)置在工作面煤層上部，同時(shí)外錯(cuò)尾巷中的煤柱少了1個(gè)，會(huì)極大地影響煤礦開(kāi)采效率。對(duì)于進(jìn)入到采空區(qū)內(nèi)的各個(gè)尾巷，隨著工作面不斷的推進(jìn)運(yùn)行，并未在具體的采空范圍內(nèi)形成瓦斯積聚的空間。但是就當(dāng)前的抽采效率分析，因?yàn)閮?nèi)錯(cuò)尾巷設(shè)計(jì)選擇使用錨網(wǎng)支護(hù)作業(yè)形式，巷道維護(hù)作業(yè)量較大，且回采環(huán)節(jié)有足夠的重視度，促進(jìn)開(kāi)采效果和質(zhì)量的提升。

4.2 頂板走向長(zhǎng)鉆孔抽放技術(shù)要點(diǎn)

在煤層頂板通過(guò)使用長(zhǎng)鉆方式抽放作業(yè)，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的采空區(qū)瓦斯處理產(chǎn)生較好的效果。分析現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，本次應(yīng)用的工作面回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)煤層頂板方向?qū)嵤┩咚古欧趴足@進(jìn)設(shè)計(jì)，并且迎著工作面進(jìn)行推進(jìn)作業(yè)。在工作面開(kāi)采逐步深入的情況下，逐步地進(jìn)入到終孔部位后，把鉆孔作業(yè)的工作重點(diǎn)放在采空區(qū)上部的裂隙帶內(nèi)。因此，在本次開(kāi)采作業(yè)的環(huán)節(jié)，要及時(shí)進(jìn)行采空區(qū)、裂隙等位置上的抽采作業(yè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的抽采工作需要，在鉆場(chǎng)內(nèi)布置有4～5個(gè)扇形鉆孔，終孔間隔距離設(shè)定在5m左右，終孔與回風(fēng)巷保持3～23m的距離，和頂板有15m的距離。為了保證抽采質(zhì)量合格，本次抽采作業(yè)增大鉆孔作業(yè)直徑，將其調(diào)整為9cm。在工作面開(kāi)采不斷深入的情況下，在達(dá)到終孔部位后，技術(shù)人員應(yīng)該進(jìn)行瓦斯的抽放作業(yè)，并且在煤層頂板上持續(xù)性的垮落，這種情況下裂隙日益增多，煤層、巖層內(nèi)的瓦斯量會(huì)持續(xù)增大，快速地釋放到空間中抽采的質(zhì)量也會(huì)得到提升。在進(jìn)入到鉆場(chǎng)的作業(yè)后，8號(hào)鉆場(chǎng)并不能投入使用，發(fā)揮出7號(hào)場(chǎng)的作用，進(jìn)而在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)形成循環(huán)替代系統(tǒng)，以滿足正常的使用需要。

4.3 地面鉆井抽放技術(shù)要點(diǎn)

在本次地面鉆井方式設(shè)置中其作用就是要穩(wěn)定采礦作業(yè)范圍，保證抽采瓦斯工作順利的進(jìn)行。在工作面開(kāi)采日益進(jìn)行之下，地層結(jié)構(gòu)受到較大的擾動(dòng)作用，并開(kāi)始進(jìn)行鉆孔搭設(shè)施工，然后開(kāi)展進(jìn)行采動(dòng)區(qū)域殘余煤層、巖層內(nèi)儲(chǔ)存大量瓦斯抽采?；夭勺鳂I(yè)時(shí)，自開(kāi)切眼時(shí)開(kāi)張工作，采動(dòng)裂隙不斷的擴(kuò)大，尤其是采空區(qū)的中部，裂隙的問(wèn)題變得日益嚴(yán)重，在逐步使得采空區(qū)達(dá)到規(guī)定范圍內(nèi)，裂隙以穩(wěn)定的狀態(tài)存在，并且在采空區(qū)的周邊會(huì)不斷地形成采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)，這樣就會(huì)形成“O”型圈。因此，在對(duì)于本次的抽采作業(yè)中按照“O”型理論，在工作面巷道有25～85m 的區(qū)間內(nèi)鉆孔作業(yè)即可。

4.4 隔離擋墻施工技術(shù)

整個(gè)工作面不斷向前推進(jìn)作業(yè)的情況下，利用設(shè)置隔離擋墻的方式能夠加強(qiáng)瓦斯治理，促進(jìn)工作效果的全面提升。有些區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛壬叩那闆r，通過(guò)分析可以確定，其主要是因?yàn)椴煽諈^(qū)瓦斯所造成的。因此，為了避免產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，每向前推進(jìn)1m的距離，工作人員就要在現(xiàn)場(chǎng)的工作面回風(fēng)巷道、運(yùn)輸巷道內(nèi)設(shè)置厚度為0.5m的隔離擋墻，促進(jìn)密封性的提升，還要在巷道頂部掏槽處理，并落實(shí)封閉施工，促進(jìn)密封性提升。因此，可以有效地減小瓦斯涌出量，可以有效地預(yù)防現(xiàn)場(chǎng)施工中出現(xiàn)采空區(qū)安全事故，保障安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

瓦斯是煤礦開(kāi)采環(huán)節(jié)危害性嚴(yán)重的氣體，對(duì)于人們的生命健康安全產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，也是威脅煤礦開(kāi)采順利實(shí)施的關(guān)鍵性要素。本文以實(shí)際案例為出發(fā)點(diǎn)，了解到采空區(qū)瓦斯抽采工作中的問(wèn)題，并且結(jié)合實(shí)際情況制定出合理的應(yīng)對(duì)措施。通過(guò)結(jié)合實(shí)際情況做出改進(jìn)和調(diào)整，技術(shù)人員分析現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)方面的因素，結(jié)合實(shí)際情況總結(jié)出切實(shí)可行的瓦斯治理技術(shù)，并且應(yīng)用到煤礦開(kāi)采實(shí)踐中提高采礦的安全性與穩(wěn)定性，為我國(guó)煤礦事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)。