采煤工作面回風(fēng)隅角瓦斯積聚治理技術(shù)研究

陳汝旭

(山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán) 高陽(yáng)煤礦,山西 孝義 032306)

采煤工作面普遍采用U型通風(fēng)方式,該種通風(fēng)方式具備通風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、通風(fēng)阻力小以及通風(fēng)路線短等優(yōu)點(diǎn),但是當(dāng)采面回采煤層瓦斯涌出量大時(shí),容易在回風(fēng)隅角位置出現(xiàn)瓦斯集聚問題,進(jìn)而影響采面煤炭安全回采[1-4]。文中以山西某礦3505采煤工作面瓦斯治理為工程背景,對(duì)采面回采期間回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)偏高原因進(jìn)行分析,并針對(duì)性地提出瓦斯集聚治理技術(shù),為采面煤炭高效回采提供了安全保障。

1 工程概況

3505采煤工作面回采長(zhǎng)度為1 780 m、切眼斜長(zhǎng)為247 m.采面回采的3號(hào)煤層厚度為2.3～3.5 m,均值2.9 m;煤層傾角0°～7°,均值4°.煤層頂?shù)装鍘r性以細(xì)砂巖及砂質(zhì)泥巖為主,具體巖性參數(shù)如表1所示。3505采煤工作面回采范圍內(nèi)煤層賦存穩(wěn)定,采面中部位置即可距切眼670～980 m范圍內(nèi)發(fā)育有斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造,預(yù)計(jì)該范圍內(nèi)煤層瓦斯體積分?jǐn)?shù)有所增大。

表1 3號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性參數(shù)

3505采煤工作面采用U型通風(fēng)方式,回采巷道均為矩形斷面(凈寬×凈高=4.8 m×2.9 m),采面回采期間瓦斯絕對(duì)及相對(duì)涌出量分別為4.25 m3/min、0.86 m3/t.截至2023年6月18日,3505采煤工作面已推進(jìn)680 m,在開切眼至675 m范圍內(nèi)回采時(shí),采面回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較為穩(wěn)定且低于允許值,而在675～680 m范圍內(nèi)回采時(shí),采面揭露有F3-1斷層(H=1.9 m,∠48°),在斷層影響范圍內(nèi)瓦斯涌出量有所增大,從而導(dǎo)致采面回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)偏高,采用風(fēng)排方式無(wú)法滿足瓦斯排放需要,回風(fēng)隅角位置存在瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)。

2 回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)偏高分析

1) 地質(zhì)構(gòu)造。采面回采至斷層、褶曲影響范圍內(nèi)時(shí)煤巖體裂隙發(fā)育,瓦斯容易在構(gòu)造帶附近集聚,瓦斯含量偏高;3505采煤工作面在地質(zhì)構(gòu)造影響范圍內(nèi)回采時(shí),煤體容易出現(xiàn)片幫,從而導(dǎo)致采面瓦斯快速溢出,容易引起采面、回風(fēng)隅角以及回風(fēng)流等位置瓦斯增多,甚至引起瓦斯超限問題。

2) 采空區(qū)漏風(fēng)。3505采煤工作面選用U型通風(fēng)方式,采面風(fēng)量為1 950 m3/min,由于采面上下端頭與巷幫間存在較大間隙,從而導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)量較大,在通風(fēng)負(fù)壓影響下,采空區(qū)內(nèi)高體積分?jǐn)?shù)瓦斯從回風(fēng)隅角位置涌出,從而導(dǎo)致回風(fēng)隅角位置出現(xiàn)瓦斯集聚[5-6]。

3) 鄰近采面采空區(qū)瓦斯。3505采煤工作面與鄰近的3503采空區(qū)間留設(shè)有25 m寬護(hù)幫煤柱,3505采煤工作面揭露的斷層等構(gòu)造經(jīng)煤柱向3503采空區(qū)延伸,在構(gòu)造影響范圍內(nèi),煤柱裂隙發(fā)育并形成漏風(fēng)通道,引起3503采空區(qū)瓦斯向3505采煤工作面回采空間涌出,導(dǎo)致回風(fēng)隅角瓦斯集聚。

3 回風(fēng)隅角瓦斯集聚治理技術(shù)

3.1 采空區(qū)埋管抽采

3505采煤工作面北側(cè)為回采完畢的3503采空區(qū)、南側(cè)為圈定的3507工作面(采面回采巷道已掘進(jìn)完畢),3505回風(fēng)巷與3507進(jìn)風(fēng)巷間留設(shè)有25 m寬的護(hù)巷煤柱,同時(shí)在煤柱上按照100 m間隔布置聯(lián)絡(luò)巷(矩形斷面,凈寬×凈高=4.0 m×2.9 m)。在聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)施工有密閉墻,通過(guò)密閉墻施工2根Φ219 mm的抽采支管并與3507進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)鋪設(shè)的抽采管路連接;在3505采煤工作面回采前密閉所有的抽采支管,當(dāng)采面回采推進(jìn)過(guò)密閉墻后,打開抽采支管,放入Φ130 mm的抽采軟管,并與3507進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)的抽采管路連接,實(shí)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯抽采。當(dāng)采面回采至第二個(gè)密閉墻時(shí),開啟此位置的抽采支管并安裝抽采軟管,實(shí)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯抽采。此時(shí)上一個(gè)密閉墻抽采支管密閉并拆抽采管路,依次類推直至采面回采結(jié)束。具體采空區(qū)埋管抽采布置如圖1所示。

圖1 回風(fēng)隅角瓦斯綜合治理措施布置示意

3.2 高位瓦斯抽采

為減少對(duì)3505采煤工作面煤炭回采影響,在3505回風(fēng)巷按照400 m間隔布置1個(gè)鉆場(chǎng),深×寬×高=5.0 m×5.0 m×2.9 m,鉆場(chǎng)頂板及巷幫用錨網(wǎng)索方式支護(hù)。在鉆場(chǎng)內(nèi)布置4個(gè)高位裂隙鉆孔(編號(hào)1號(hào)～4號(hào)),鉆孔孔徑統(tǒng)一為75 mm,孔深450 m,鉆孔開孔距頂板0.8 m,間距1.0 m.鉆場(chǎng)內(nèi)1號(hào)～4號(hào)鉆孔向3505采空區(qū)方向偏角分別為10°、20°、30°、40°,鉆孔終孔位于煤層頂板20～30 m位置;鉆孔施工完成后,在鉆場(chǎng)內(nèi)布置抽采軟管并與回風(fēng)巷內(nèi)抽采主管連接;采面回采距鉆場(chǎng)10 m時(shí),及時(shí)封堵鉆場(chǎng)內(nèi)的抽采鉆孔,鄰近的鉆場(chǎng)高位鉆孔開始進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。

3.3 回風(fēng)隅角增設(shè)風(fēng)水射流器

在采面液壓支架下方與回風(fēng)上隅角間距10 m位置增設(shè)風(fēng)水射流器。采用的風(fēng)水射流器主要組成單元包括加壓泵、儲(chǔ)水箱、風(fēng)水管路、環(huán)形噴霧裝置等[7-8],配備電機(jī)功率為5 kW,環(huán)形噴霧裝置布置在距離回風(fēng)隅角2 m位置。3505采煤工作面回采時(shí),開啟風(fēng)水射流器通過(guò)加壓泵將水從環(huán)形噴霧裝置中噴出,通過(guò)噴出水霧增加回風(fēng)隅角風(fēng)量并降低粉塵質(zhì)量濃度。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 3505采煤工作面在670～980 m范圍內(nèi)回采時(shí),受地質(zhì)構(gòu)造、采空區(qū)漏風(fēng)、煤層瓦斯涌出量大等多重因素影響,回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)偏高,存在一定的超限風(fēng)險(xiǎn)。為此,結(jié)合3505采煤工作面及鄰近的3507采煤工作面回采巷道布置情況,提出綜合使用采空區(qū)埋管、高位定向長(zhǎng)鉆孔、增設(shè)風(fēng)水射流器等方式進(jìn)行回風(fēng)隅角瓦斯集聚治理。

2) 利用3505回風(fēng)巷與3507進(jìn)風(fēng)巷保護(hù)煤柱上間隔100 m布置的聯(lián)絡(luò)巷布置采空區(qū)埋管抽采鉆孔,對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行持續(xù)接抽,埋管布置簡(jiǎn)單且抽采量大;通過(guò)在回風(fēng)巷布置高位定向鉆孔,對(duì)頂板裂隙高濃度瓦斯進(jìn)行抽采,鉆孔覆蓋范圍廣且對(duì)采面生產(chǎn)影響較小;在回風(fēng)隅角增設(shè)風(fēng)水射流器,利用噴射的水幕增大回風(fēng)隅角風(fēng)量?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后,3505采煤工作面在后續(xù)回采期間,回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)始終保持在0.5%以內(nèi),實(shí)現(xiàn)了瓦斯有效治理。