采煤工作面裂隙瓦斯治理技術(shù)分析

馮超帥

(山西焦煤汾西礦業(yè)南關(guān)煤業(yè),山西 介休 032000)

瓦斯是影響煤礦安全生產(chǎn)的不利因素,實(shí)施瓦斯治理技術(shù)措施是降低瓦斯事故的根本措施[1-2]。現(xiàn)階段煤礦通過布置鉆孔實(shí)現(xiàn)瓦斯治理,具體措施包括:

1) 采前本煤層瓦斯預(yù)抽,包括地面煤層氣井預(yù)抽、高位放巷預(yù)抽、大直徑鉆孔預(yù)抽以及保護(hù)層開采等;

2) 本煤層鉆孔邊采邊抽;

3) 鄰近層抽采,包括鄰近層穿層鉆孔或者巷道穿層鉆孔抽采;

4) 采空區(qū)瓦斯抽采,包括回采巷道高位鉆孔、埋管等。

在井下煤炭開采過程中,通常需要多種瓦斯治理措施綜合使用方可實(shí)現(xiàn)瓦斯有效治理,控制采面瓦斯涌出[3-6]。井下回采工作面普遍采用U型通風(fēng)方式,受通風(fēng)負(fù)壓以及瓦斯特性影響,容易導(dǎo)致回風(fēng)隅角位置瓦斯集聚,從而給采面煤炭回采造成較大安全威脅,回風(fēng)隅角瓦斯主要源于采空區(qū)及頂板裂隙,通過采取合理的采空區(qū)頂板裂隙瓦斯治理技術(shù),可有效減少瓦斯涌出,避免回風(fēng)隅角瓦斯超限[7]。為此,文中就以某礦12205采煤工作面瓦斯治理為工程背景,對采面使用的裂隙瓦斯治理技術(shù)進(jìn)行分析,以期為其他礦井類似情況采煤工作面瓦斯治理工作開展提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

12205采煤工作面設(shè)計(jì)走向、傾向長度分別為1 085 m、159 m,采用綜采開采工藝、全部垮落法管理頂板,采面使用U型通風(fēng)方式。12205采煤工作面回采12號煤層,煤層厚度1.28～2.99 m、均值為2.0 m,煤層結(jié)構(gòu)簡單,內(nèi)部裂隙及節(jié)理不發(fā)育。采面開采范圍受區(qū)域褶曲構(gòu)造影響,導(dǎo)致回采范圍內(nèi)12號煤層傾角較大,平均為30°.采面回采范圍內(nèi)12號煤層頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖以及泥質(zhì)粉砂巖等為主,具體頂?shù)装鍘r性參數(shù)如表1所示。

1.2 煤層瓦斯賦存情況

12205采煤工作面回采范圍內(nèi)煤層原始瓦斯含量為7.6～11.3 m3/t、瓦斯壓力為0.71～1.07 MPa,采用保護(hù)層開采、本煤層瓦斯抽采等瓦斯治理措施后,煤層殘余瓦斯含量降至4.851 m3/t以內(nèi)、瓦斯壓力降至0.15 MPa以下。采面回采范圍內(nèi)12號煤層普氏系數(shù)在0.327～0.419、煤層破壞類型為V類、孔隙率為4.08%.

1.3 采面瓦斯涌出情況

采面回采前在回風(fēng)巷內(nèi)鋪設(shè)有DN350低負(fù)壓抽采管路,按照30 m間隔布置三通,對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行埋管抽采。在12205采煤工作面內(nèi)布置有105個(gè)液壓支架,在采面試生產(chǎn)期間,靠近回風(fēng)隅角的101～102號支架頂部瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.87%、回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.81%.

在12205采煤工作面回采后,采空區(qū)頂板垮落,上覆裂隙發(fā)育,在通風(fēng)負(fù)壓作用下導(dǎo)致鄰近層瓦斯、采空區(qū)瓦斯以及頂板裂隙瓦斯涌向回采空間,通過分源預(yù)測法計(jì)算得到12205采煤工作面回采期間瓦斯涌出量為23.86 m3/min,其中開采層瓦斯涌出量為3.68 m3/min,鄰近層與圍巖瓦斯涌出量為20.18 m3/min.

2 采面裂隙瓦斯治理技術(shù)

2.1 瓦斯抽采方案確定

裂隙瓦斯是12205采煤工作面瓦斯治理的關(guān)鍵所在,以往礦井曾嘗試使用高位巷、高位穿層鉆孔等多種方式進(jìn)行裂隙瓦斯治理。但是由于12205回風(fēng)巷為沿空掘巷,在采面回采之前回風(fēng)巷圍巖受采動(dòng)壓力等影響變形量較大,而高位鉆孔對巷道圍巖穩(wěn)定性、巷道寬度要求較高;高抽巷雖然對裂隙瓦斯有較好的治理效果,但是存在工程量大、耗時(shí)長以及治理投入大等問題。結(jié)合12205采煤工作面現(xiàn)場實(shí)際情況,提出在采面回風(fēng)巷內(nèi)布置高位鉆場對頂板裂隙瓦斯進(jìn)行抽采。

2.2 高位鉆場在裂隙瓦斯抽采中的應(yīng)用

為減少采空區(qū)頂板裂隙瓦斯、緩解12205采煤工作面瓦斯治理壓力,提出在切眼外125 m范圍以外布置高位鉆場對采空區(qū)頂板裂隙瓦斯進(jìn)行抽采。

2.2.1 高位鉆場及鉆孔布置

12205采煤工作面設(shè)計(jì)采高為2.0 m,將高位鉆場布置在回采的12號煤層頂板上覆10 m(5倍采高)巖層中且與回風(fēng)巷水平錯(cuò)距控制在10 m左右,高位鉆場布置在頂板裂隙帶內(nèi);高位鉆場內(nèi)抽采鉆孔終孔與12號煤層頂板間距為20 m(10倍采高),與回風(fēng)巷水平間距為30 m.高位鉆場及高位鉆孔均在頂板裂隙帶范圍內(nèi),以提升裂隙瓦斯抽采效果。采面高位鉆場及鉆孔布置情況如圖1所示。

圖1 高位鉆場及鉆孔布置示意

在12205回風(fēng)巷采面幫按照37°仰角掘進(jìn)寬、高分別為4.5 m、2.8 m的斜巷,斜巷掘進(jìn)12 m后向采面方向施工深、寬、高分別為2.5 m、3.0 m、3.0 m的高位鉆場。高位鉆場采用錨網(wǎng)索方式支護(hù),1號高位鉆場布置在距離切眼52 m位置,高位鉆場間距為40 m.

2.2.2 高位鉆孔布置參數(shù)

高位鉆場施工到位后, 在高位鉆場內(nèi)施工8個(gè)高位鉆孔,鉆孔在鉆場內(nèi)布置上下2排,上排鉆孔距鉆場頂板1.8 m、下排鉆孔距鉆場底板0.6 m,鉆孔開孔距巷幫均為0.6 m、排距為0.6 m.高位鉆孔與12205回風(fēng)巷夾角控制在-4°～16°,鉆孔布置成扇形;鄰近高位鉆場內(nèi)高位鉆孔間有20 m重疊距離;1號高位鉆場內(nèi)高位鉆孔終孔超過采面切眼10 m.高位鉆孔采用ZDY-2300鉆機(jī)施工,施工鉆孔孔徑為113 mm.

2.2.3 鉆孔封孔

高位鉆孔施工完成后使用Φ133 mm鉆頭進(jìn)行擴(kuò)孔,通過大直徑鉆孔提升裂隙瓦斯抽采效果。擴(kuò)孔后放入頭部為花管的PE管(Φ88.9 mm),并在成孔24 h內(nèi)完成封孔。高位鉆孔采用“兩堵一注+帶壓封孔”方式,封孔使用的材料包括注漿泵、囊袋、風(fēng)水管、注漿管及返漿管等,具體斷面如圖2所示。鉆孔封孔深度控制在10 m以上,注漿壓力控制在4 MPa以上、返漿量在25 L/min以上,鉆孔封孔時(shí)間控制在20 min以內(nèi)。封孔使用的漿液配比為:m(速凝膨脹封孔劑)∶m(水)=1∶1.2.

圖2 鉆孔封孔示意

3 瓦斯治理效果分析

高位鉆場內(nèi)鉆孔施工完畢后及時(shí)接抽,確保抽采負(fù)壓在13 kPa以上。鉆場在回風(fēng)巷開口處進(jìn)行永久密閉。安排專人對高位鉆場內(nèi)鉆孔瓦斯抽采情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。采面回采期間高位鉆場瓦斯抽采效果如圖3所示。

圖3 高位鉆場瓦斯抽采效果

當(dāng)采面回采10 m后,采空區(qū)頂板及時(shí)垮落,1號高位鉆場內(nèi)高位鉆孔均處于頂板裂隙帶內(nèi);當(dāng)回采30 m后,2號高位鉆場內(nèi)高位鉆孔終孔進(jìn)入到頂板裂隙帶內(nèi);當(dāng)回采70 m后,3號高位鉆場內(nèi)高位鉆孔終孔進(jìn)入到頂板裂隙帶內(nèi)。高位鉆場內(nèi)鉆孔進(jìn)入到頂板裂隙帶后,瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)迅速增加至6%～28%.采面在后續(xù)回采期間,由于高位鉆場內(nèi)鉆孔持續(xù)對裂隙瓦斯進(jìn)行抽采,抽采純量為5.25～8.73 m3/min,有效減少了裂隙瓦斯涌出量,因此回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在安全范圍內(nèi),平均為0.38%.現(xiàn)場應(yīng)用表明,12205采煤工作面使用的高位鉆場方式可實(shí)現(xiàn)頂板裂隙瓦斯的有效治理,為采面煤炭安全回采創(chuàng)造了良好條件。

4 結(jié) 語

針對12205采煤工作面試回采期間采空區(qū)瓦斯涌出量大、回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)高等問題,結(jié)合現(xiàn)場情況提出將高位鉆場應(yīng)用到頂板裂隙瓦斯治理中。將高位鉆孔布置在12號煤層頂板上覆10 m巖層中,鉆場內(nèi)高位鉆孔布置在12號煤層上覆20 m巖層中,鉆孔終孔與回風(fēng)巷水平間隔控制在10～30 m,高位鉆場內(nèi)鉆孔接抽負(fù)壓為13 kPa.現(xiàn)場應(yīng)用后,高位鉆場內(nèi)鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為6%～28%.瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)主要是受頂板垮落、壓實(shí)影響,高位鉆場內(nèi)鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)整體保持在高位;在高位鉆場鉆孔覆蓋范圍內(nèi),采面回采期間回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)由0.81%降至0.38%左右,采面瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在低位,可滿足煤炭安全回采需要。