高瓦斯薄煤層瓦斯綜合治理技術(shù)研究與應(yīng)用

孫凱巖

（山西華陽(yáng)集團(tuán) 新能股份有限公司二礦，山西 陽(yáng)泉 045000）

1 概 況

山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司二礦位于山西陽(yáng)泉礦區(qū)，井田占地面積約為116 km2，井田南北走向長(zhǎng)度約為16 km，工業(yè)儲(chǔ)量約為1 895.76 Mt，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.7 Mt/a，礦井以2 個(gè)礦井進(jìn)行全井田開拓，其中1 號(hào)井內(nèi)九七盤區(qū)的97307 工作面煤層埋深290～370 m，煤層平均厚度1.7 m，傾角為2°～9°，屬于薄煤層，工作面走向長(zhǎng)1 402 m，傾向長(zhǎng)179 m。查閱煤礦地質(zhì)資料，97307 工作面屬于低透氣性煤層的高瓦斯工作面[1]，在綜采作業(yè)中容易出現(xiàn)瓦斯?jié)舛纫蚓奂黾訉?dǎo)致的爆炸事故發(fā)生，目前工作面的通風(fēng)系統(tǒng)布置如圖1 所示。有2個(gè)進(jìn)風(fēng)巷道（97213、97214）和1 個(gè)回風(fēng)巷道（97215），形成Y 型通風(fēng)結(jié)構(gòu)[2]，但由于沿空留巷段采空區(qū)兩巷風(fēng)壓不平衡導(dǎo)致通風(fēng)阻力增大[3]，瓦斯排放效果并不理想，因此采用瓦斯綜合治理技術(shù)，解決瓦斯井下集聚問題，降低瓦斯安全隱患風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)安全開采作業(yè)有著極大的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 97307 工作面通風(fēng)系統(tǒng)布置示意Fig.1 Ventilation system layout diagram in No.97307 Face

2 瓦斯綜合治理技術(shù)

根據(jù)二礦97307 工作面開采工藝以及瓦斯治理系統(tǒng)，從采空區(qū)漏風(fēng)治理、瓦斯積聚抽采2 個(gè)方面進(jìn)行瓦斯綜合治理。

2.1 采空區(qū)漏風(fēng)治理措施

礦區(qū)內(nèi)97306 工作面結(jié)構(gòu)與97307 工作面結(jié)構(gòu)基本相同，但通風(fēng)系統(tǒng)采用的是U 型結(jié)構(gòu)，為了驗(yàn)證U 型與Y 型結(jié)構(gòu)通風(fēng)系統(tǒng)效果，對(duì)比了2 種通風(fēng)系統(tǒng)在采用切頂卸壓自動(dòng)留巷開采工藝[4]時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛?，發(fā)現(xiàn)Y 型結(jié)構(gòu)通風(fēng)系統(tǒng)在開采同時(shí)期瓦斯?jié)舛瓤山档?.17%～0.27%，濃度對(duì)比如圖2 所示，表明當(dāng)前Y 型結(jié)構(gòu)通風(fēng)系統(tǒng)效果優(yōu)于U 型結(jié)構(gòu)，但在實(shí)際開采中發(fā)現(xiàn)，Y 型通風(fēng)系統(tǒng)沿空留巷段采空區(qū)兩巷風(fēng)壓不平衡[5]，雖然可以通過調(diào)節(jié)2 個(gè)進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)量，降低風(fēng)壓壓差，但過長(zhǎng)的通風(fēng)路線使得通風(fēng)阻力大[6]，尤其是沿空留巷段在進(jìn)行大型設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)，巷道通風(fēng)量會(huì)受到明顯影響[7]，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警的情況時(shí)有發(fā)生，通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前Y 型通風(fēng)系統(tǒng)存在漏風(fēng)問題，尤其在沿空留巷段尾部20 m 范圍內(nèi)尤為明顯，且瓦斯抽放埋管直徑偏小，抽排量小于了漏風(fēng)量，造成擋矸墻前瓦斯偏高并向外涌出現(xiàn)象[8]，采空區(qū)漏風(fēng)治理采用調(diào)壓減漏和封堵封漏2 種措施[9]。

圖2 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€圖Fig.2 Curve of gas concentration change in upper corner

2.1.1 調(diào)壓減漏

采空區(qū)漏風(fēng)量的影響因素之一是97213 巷和97214 巷2 個(gè)進(jìn)風(fēng)巷道存在的壓差，進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)量分別為1 200 m3/min、650 m3/min，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)壓差值為42 Pa；調(diào)整進(jìn)風(fēng)巷道配風(fēng)量為950 m3/min、1 100 m3/min 后，2 個(gè)進(jìn)風(fēng)巷導(dǎo)致的沿空留巷通風(fēng)風(fēng)壓差下降了24 Pa，達(dá)到較低的15 Pa，進(jìn)風(fēng)壓差降低，采空區(qū)氣體向留巷段泄露的動(dòng)力降低，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)漏風(fēng)量下降了42 m3/min，穩(wěn)定在38 m3/min，擋矸墻前瓦斯?jié)舛冉档土?.37%。

2.1.2 封堵封漏

對(duì)采空區(qū)擋矸墻進(jìn)行密封，降低漏風(fēng)量。擋矸墻采空區(qū)側(cè)用風(fēng)筒布、鐵絲網(wǎng)和鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封[10]，外側(cè)采用木板、風(fēng)筒布和塑料網(wǎng)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行混凝土噴漿結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封。施工后采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛缺３衷?.1%左右，擋矸墻外側(cè)瓦斯?jié)舛葹?.7%左右，提升了瓦斯治理效果，擋矸墻結(jié)構(gòu)示意如圖3 所示。

圖3 擋矸墻結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of gangue retaining wall

2.2 瓦斯積聚抽采

單一降低采空區(qū)漏風(fēng)量的措施不能完全實(shí)現(xiàn)瓦斯安全治理目標(biāo)，需要對(duì)工作面煤層鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽排，以降低綜采過程中巷道瓦斯積聚。煤層中瓦斯抽排鉆孔的設(shè)計(jì)與布置是關(guān)鍵，結(jié)合工作面煤層特點(diǎn)，采用頂板走向高位長(zhǎng)鉆孔和傾向高位鉆孔為主、順層鉆孔為輔的方式進(jìn)行瓦斯積聚抽排。

2.2.1 頂板走向高位長(zhǎng)鉆孔

在97307 工作面設(shè)置4 個(gè)頂板走向高位定向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔布局如圖4 所示，鉆孔起始位置為97214 通風(fēng)巷，沿著頂板走向向工作面上隅角方向施工，利用ZDY-11800LD 型鉆機(jī)，鉆桿直徑120 mm，鉆孔長(zhǎng)度最長(zhǎng)為600 m，在裂隙帶里進(jìn)行定向鉆孔，能夠在鉆孔和鉆場(chǎng)數(shù)量較少的情況下，進(jìn)行大流量瓦斯混合氣體抽排，且施工難度低，成本低。

圖4 沿空留巷工作面頂板走向高位長(zhǎng)鉆孔布局Fig.4 Layout of high-level long boreholes along the roof of gob-side entry retaining working face

2.2.2 頂板走向高位普通鉆孔

頂板走向高位普通鉆孔鉆場(chǎng)從在97214 巷距離切眼位置50 m 處開始，間隔50 m 設(shè)置24 個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)為上邊3 m、底邊6 m、深度3 m 的梯形結(jié)構(gòu)，鉆場(chǎng)高度與97214 巷高度相同，從鉆場(chǎng)向工作面上隅角方向打扇形頂板穿層鉆孔，鉆孔直徑為113 mm。

2.2.3 頂板傾向高位鉆孔

頂板傾向高位鉆孔區(qū)間為97215 巷接近切眼位置處至設(shè)計(jì)停采線20 m 處，共布置232 個(gè)傾向高位鉆孔，通過瓦斯抽采，使采空區(qū)形成微負(fù)壓，避免采空區(qū)瓦斯從擋矸墻縫隙擴(kuò)散至留巷段。鉆孔水平傾角20°，傾向長(zhǎng)度為65 m，垂直高度為21 m，在距離切眼位置300 m 范圍內(nèi)，孔間距6 m，后段孔間距為10 m，傾向高位鉆孔直徑為113 mm，頂板傾向高位鉆孔布置如圖5 所示。

圖5 沿空留巷工作面頂板傾向高位鉆孔布置Fig.5 Layout diagram of high-level boreholes in roof tendency of gob-side entry retaining working face

2.2.4 順層鉆孔

在97214 巷距離切眼10 m 處至停采線前10 m范圍內(nèi)的煤壁，向97307 工作面?zhèn)冗M(jìn)行順層垂向鉆孔，鉆孔間距為6 m，鉆孔為橫向單層，共197 個(gè)鉆孔。

2.2.5 采空區(qū)埋管

將97215 巷D457PE 管通過正前橫川引出至97214 巷，用于抽采沿空留巷段正前采空區(qū)內(nèi)集聚的瓦斯。

3 瓦斯綜合治理效果

對(duì)97307 工作面進(jìn)行采空區(qū)漏風(fēng)治理、瓦斯積聚抽采等瓦斯治理措施后，對(duì)工作面瓦斯量進(jìn)行了持續(xù)跟蹤，以評(píng)價(jià)瓦斯綜合治理措施的有效性。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在工作面回采作業(yè)期間，回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.48%，風(fēng)排瓦斯量為9.6 m3/min，頂板走向高位長(zhǎng)鉆孔、頂板高位普通鉆孔、頂板傾向高位鉆孔和順層鉆孔的抽放量分別為3.8、3.1、1.8和3.9 m3/min，共12.6 m3/min，各鉆孔抽放氣體瓦斯?jié)舛炔煌敯遄呦蚋呶婚L(zhǎng)鉆孔抽放瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)28.2%，頂板傾向高位鉆孔抽放瓦斯?jié)舛葹?.6%，其余鉆孔排放瓦斯?jié)舛葹?.7%，瓦斯抽采率達(dá)到58.6%。

3.1 瓦斯抽采量分析

利用U 型通風(fēng)系統(tǒng)抽采量和Y 型通風(fēng)系統(tǒng)抽采量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制瓦斯抽采量對(duì)比曲線圖，如圖6所示，可以看出2 種通風(fēng)系統(tǒng)的瓦斯抽采量均隨著工作面的推進(jìn)距離增加而增大，除600 m 處因煤體的非均質(zhì)特性差異導(dǎo)致抽采量變化外，對(duì)比可以看出，Y 型通風(fēng)系統(tǒng)瓦斯抽采量明顯大于U 型通風(fēng)系統(tǒng)，表明97307 工作面采用的Y 型通風(fēng)系統(tǒng)通過采空區(qū)漏風(fēng)治理后，是較佳的瓦斯治理方式。

圖6 瓦斯抽采量對(duì)比曲線圖Fig.6 Comparison curve of gas drainage volume

3.2 風(fēng)排瓦斯量分析

風(fēng)排瓦斯量能夠反映出回采巷道中瓦斯?jié)舛惹闆r，最大風(fēng)排瓦斯量越低，表示回采巷道瓦斯含量越低，表明瓦斯治理措施效果越明顯。圖7 為97306 和97307 兩個(gè)工作面采用不同瓦斯治理措施后最大風(fēng)排瓦斯量對(duì)比曲線圖，可以看出在工作面推進(jìn)的各距離處，采用采空區(qū)漏風(fēng)治理、瓦斯積聚抽采等瓦斯治理措施的97307 工作面最大風(fēng)排瓦斯量均低于采用以上瓦斯治理措施的97306 工作面最大風(fēng)排瓦斯量，在推進(jìn)至1 000 m 時(shí)，最大風(fēng)排瓦斯量降低18%左右，說明瓦斯治理效果明顯。

圖7 最大風(fēng)排瓦斯量對(duì)比曲線圖Fig.7 Comparison curve of maximum air exhaust gas volume

4 結(jié)論

針對(duì)山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司二礦高瓦斯97307 工作面，治理效果不佳，開采風(fēng)險(xiǎn)大的問題，進(jìn)行瓦斯綜合治理技術(shù)研究與應(yīng)用，形成以下結(jié)論。

（1）97307 工作面采用的Y 型通風(fēng)系統(tǒng)效果優(yōu)于U 型通風(fēng)系統(tǒng)，調(diào)整進(jìn)風(fēng)巷道配風(fēng)量為950 m3/min 和1 100 m3/min，留巷兩側(cè)平均風(fēng)壓壓差降低到15 Pa，對(duì)采空區(qū)擋矸墻進(jìn)行密封，降低漏風(fēng)量，擋矸墻前瓦斯?jié)舛冉档土?.37%。

（2）采用頂板走向高位長(zhǎng)鉆孔和傾向高位鉆孔為主、順層鉆孔為輔的方式，對(duì)工作面煤層鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽排，并在擋矸堵漏墻上埋設(shè)D457PE管通，用于抽采沿空留巷段正前采空區(qū)內(nèi)集聚瓦斯。

（3）監(jiān)測(cè)瓦斯抽采量和風(fēng)排瓦斯量表明，采空區(qū)漏風(fēng)治理、瓦斯積聚抽采等瓦斯治理措施的97307 工作面瓦斯?jié)舛让黠@降低，綜合計(jì)算工作面絕對(duì)瓦斯涌出量，抽采率為58.6%。