綜采工作面采空區(qū)多層位立體式瓦斯抽采技術(shù)*

左明明

(中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113006)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,煤炭資源的需求量也是日益劇增。煤炭資源的開(kāi)采強(qiáng)度和開(kāi)采規(guī)模不斷擴(kuò)大,造成了瓦斯涌出量的增大,給煤礦職工的身體健康和礦井的安全生產(chǎn)造成了巨大威脅[1-3]。近年來(lái),隨著瓦斯治理技術(shù)的不斷提高,安全生產(chǎn)形勢(shì)整體好轉(zhuǎn),但瓦斯事故仍時(shí)有發(fā)生,絕大多數(shù)是因?yàn)橥咚怪卫硇Ч患言斐傻?。為解決綜采工作面瓦斯問(wèn)題,年軍[4]根據(jù)高瓦斯低透氣性煤層的瓦斯賦存特點(diǎn),分析內(nèi)錯(cuò)尾巷在瓦斯抽采中的作用,取得了良好效果;高宏等[5-6]針對(duì)某礦15號(hào)煤層1306末采U型通風(fēng)工作面上隅角瓦斯問(wèn)題,采用數(shù)值模擬方法對(duì)工作面高位鉆孔進(jìn)行分析、優(yōu)化,提高了瓦斯抽采效果;針對(duì)趙莊煤礦1307綜采工作面瓦斯治理存在的問(wèn)題,提出高瓦斯礦井高抽巷和底抽巷聯(lián)合抽采的瓦斯抽采技術(shù),提高了瓦斯抽采效果,降低了瓦斯涌出量;邵國(guó)安等[7]采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法,考察大直徑鉆孔采空區(qū)卸壓瓦斯抽采技術(shù)在小回溝煤業(yè)近距離煤層開(kāi)采采空區(qū)瓦斯治理中的應(yīng)用效果,大直徑鉆孔的抽采流量達(dá)到小直徑鉆孔的580倍,效果顯著;劉超等[8]為解決下石節(jié)煤礦222工作面瓦斯超限問(wèn)題,采用理論分析、數(shù)值模擬、相似材料模擬等方法,分析采空區(qū)覆巖裂隙演化規(guī)律,補(bǔ)充采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)規(guī)律,提出卸壓瓦斯抽采方案,將上隅角和回風(fēng)流瓦斯控制在允許范圍內(nèi)。

為了降低某高瓦斯礦井工作面回采過(guò)程中上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?采用以“高位定向長(zhǎng)鉆孔+采空區(qū)橫川埋管+采空區(qū)上隅角插管”方法強(qiáng)化采空區(qū)抽采為主,采空區(qū)中位鉆孔、穿透鉆孔等抽采方法為輔的多層位立體式瓦斯抽采技術(shù),有效保障工作面安全、高效開(kāi)采。

1 礦井概況

某礦為國(guó)有大型煤礦,核定生產(chǎn)能力為8.0 Mt/a,主采3號(hào)煤層。煤層厚度2.92～7.68 m,平均約6.24 m,屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。該區(qū)域地層平緩,傾角3°～12°,一般小于8°。3號(hào)煤層原煤瓦斯含量4.26～15.62 m3/t,原煤瓦斯壓力0.13～0.69 MPa,煤層透氣性系數(shù)0.22～5.15 m2/MPa2·d,堅(jiān)固性系數(shù)0.83～1.33,瓦斯放散初速度23.8～45.6 m/s,鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.011～0.049 d-1。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量410.8 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為26.15 m3/t,屬于高瓦斯礦井。

該礦4321工作面主采3號(hào)煤層,工作面采用綜采大采高一次采全高采煤工藝,全部垮落法管理頂板。受采空區(qū)及鄰近層瓦斯涌出影響,綜采工作面上隅角經(jīng)常會(huì)處于瓦斯超限臨界狀態(tài),給礦井的安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大威脅。因此,研究綜采工作面采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)對(duì)于該工作面回采過(guò)程中上隅角、采空區(qū)瓦斯治理具有重要意義。

2 采空區(qū)瓦斯多層位立體抽采技術(shù)

為了降低工作面回采過(guò)程中上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?根據(jù)煤層地質(zhì)條件、頂?shù)装鍘r性、工作面瓦斯規(guī)律、采煤工藝等因素,采用以“高位定向長(zhǎng)鉆孔+采空區(qū)橫川埋管+采空區(qū)上隅角插管”方法強(qiáng)化采空區(qū)抽采為主,采空區(qū)中位鉆孔、穿透鉆孔等抽采方法為輔的多層位立體式瓦斯抽采技術(shù)。

2.1 高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采

采用千米鉆機(jī)在43212回風(fēng)巷向工作面頂板施工定向長(zhǎng)鉆孔,對(duì)該工作面回采過(guò)程中上隅角、采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。

在43212回風(fēng)巷每隔350～400 m布置1個(gè)鉆場(chǎng),共布置5個(gè)鉆場(chǎng),每個(gè)鉆場(chǎng)施工4個(gè)頂板高位長(zhǎng)鉆孔,分別布置在采空區(qū)頂板豎直方向30 m、40 m、50 m、60 m層位,鉆孔長(zhǎng)度400 m左右。鉆孔首先采用直徑120 mm鉆頭進(jìn)行施工,再用165 mm、195 mm鉆頭擴(kuò)孔,對(duì)開(kāi)孔段煤體進(jìn)行注漿,保證煤體破碎段的安全施工。高位定向長(zhǎng)鉆孔布置如圖1所示,5#鉆場(chǎng)布孔參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 4321工作面5#鉆場(chǎng)頂板高位鉆孔終孔位置參數(shù)

圖1 4321工作面高位長(zhǎng)鉆孔竣工平面Fig.1 Completion plan of high-level long borehole on 4321 working face

2.2 采空區(qū)插管和埋管抽采

4321工作面在回風(fēng)巷尾部橫川封閉時(shí),在閉墻上插入2趟DN350非金屬抽采瓦斯管路,同時(shí)在回采工作面前方橫川中再敷設(shè)一趟D400負(fù)壓風(fēng)筒(埋入到回采工作面上隅角中),2趟管路同時(shí)進(jìn)行回采工作面采空區(qū)抽采瓦斯,避免回采工作面上隅角因風(fēng)流不暢(或微風(fēng))引起的瓦斯超限。隨著回采工作面的推進(jìn),埋管(負(fù)壓風(fēng)筒)逐漸向回采工作面推進(jìn)方向移動(dòng),當(dāng)回采工作面推過(guò)前部橫川后,在下一個(gè)橫川處進(jìn)行以上操作,如此循環(huán)往復(fù)來(lái)達(dá)到回采工作面采空區(qū)抽采瓦斯的目的,管路布置如圖2所示。

圖2 工作面采空區(qū)瓦斯抽采方法示意Fig.2 Gas extraction method for goaf of working face

2.3 采空區(qū)中位鉆孔抽采

采空區(qū)中位鉆孔主要用來(lái)解決工作面初采階段頂板未垮落期間采空區(qū)、上隅角瓦斯積聚問(wèn)題,布置于靠近過(guò)工作面形成時(shí)間比較短的采空區(qū)裂隙帶范圍內(nèi),在工作面走向方向上的孔身長(zhǎng)度有限,主要作用是攔截采空區(qū)裂隙帶內(nèi)瓦斯向工作面方向滲流涌出。采用普通鉆機(jī)在43213巷橫川施工中位鉆孔,每個(gè)位置施工4個(gè)中位鉆孔,布置在煤層頂板以上15～25 m層位,終孔水平位置距采面回風(fēng)側(cè)不小于10 m,鉆孔間距8～15 m。中位鉆孔布置如圖3所示。

圖3 采空區(qū)中位鉆孔竣工示意Fig.3 Completion diagram of goaf’s medium-level borehole

2.4 采空區(qū)穿透鉆孔抽采

采空區(qū)穿透鉆孔是針對(duì)雙巷掘進(jìn)工作面設(shè)計(jì)的一種采空區(qū)瓦斯抽采方法,在工作面回采經(jīng)過(guò)區(qū)域垂直煤壁向橫川煤柱施工普通順層鉆孔,使采空區(qū)通過(guò)穿透鉆孔與抽采管路相連接,從而達(dá)到采空區(qū)瓦斯抽采的目的。采空區(qū)穿透鉆孔布置在巷道頂板下500 mm范圍內(nèi),穿透煤柱至順槽巷道,穿透孔間距為5～10 m,每個(gè)橫川布置4～5個(gè)鉆孔,孔徑不小于160 mm,利用鎧裝管將各個(gè)鉆孔連接到直徑為400 mm的瓦斯抽采管路上。采空區(qū)穿透鉆孔布置如圖4所示。

3 應(yīng)用效果考察

3.1 高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采效果分析

4321工作面回采過(guò)程中,對(duì)5#鉆場(chǎng)各高位鉆孔瓦斯抽采濃度、純量進(jìn)行測(cè)定,以2#和3#孔為例對(duì)鉆孔瓦斯抽采情況進(jìn)行分析。

2#鉆孔:隨著工作面回采,鉆孔濃度逐步升高至50%,并能一直維持此高濃度。鑒于2#鉆孔濃度較高,將其從采空區(qū)抽放倒至本煤層抽放,混量由0.6 m3/min提升至1.4 m3/min,而高濃度未變化。初步判斷鉆孔終孔位置在“O”型圈內(nèi)。2#鉆孔抽采濃度、純量隨推進(jìn)距離變化如圖5所示。

圖5 2#鉆孔濃度、純量變化曲線Fig.5 Change curve of the concentration and pure value of 2# borehole

3#鉆孔:3#鉆孔是所有鉆孔里抽放效果最好的孔,濃度始終能達(dá)到50%左右,為了提升能力,將其從采空區(qū)抽放倒至本煤層抽放,混量由原來(lái)0.5 m3/min提升至1.1 m3/min,而濃度基本未變。初步判斷鉆孔終孔位置分布在“O”型圈內(nèi)。3#鉆孔抽采濃度、純量隨推進(jìn)距離變化如圖6所示。

圖6 3#鉆孔濃度、純量變化曲線Fig.6 Change curve of the concentration and pure value of 3# borehole

3.2 采空區(qū)橫川埋管瓦斯抽采

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)可知,采空區(qū)插管抽采純量為3～30 m3/min,平均約為10.23 m3/min,如圖7所示。

圖7 采空區(qū)插管瓦斯抽采量變化折線Fig.7 Changing fold line of pipe-inserting gas extraction in goaf

3.3 中位鉆孔抽采效果

對(duì)25#橫川位置中位鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),回采期間25#橫川位置中位鉆孔瓦斯抽采混量、抽采濃度隨推進(jìn)距離變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 中位鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)隨推進(jìn)距離變化折線Fig.8 Changing fold line of medium-level borehole gas extraction data with advancing distance

由圖8可知,工作面推進(jìn)至14～32 m左右時(shí),中位鉆孔實(shí)現(xiàn)高流量、高濃度抽采,混量為33～38 m3/min,純量為3～12 m3/min,濃度最高達(dá)到35%;當(dāng)工作面推進(jìn)至40 m時(shí),工作面初次來(lái)壓,此時(shí)中位鉆孔瓦斯抽采混量驟減,說(shuō)明工作面初次來(lái)壓時(shí)會(huì)瞬間影響25#橫川中位鉆場(chǎng)的采空區(qū)區(qū)域的透氣性,可能由于中位鉆孔整個(gè)孔身位于采空區(qū)冒落帶范圍內(nèi),基本頂?shù)某醮慰迓涫沟妹奥鋷^(qū)域矸石承受部分基本頂載荷,冒落區(qū)區(qū)域空隙率減小,透氣性變差,導(dǎo)致抽采混量減小;工作面初次來(lái)壓之前,25#橫川中位鉆場(chǎng)瓦斯抽采濃度逐漸減小,此時(shí)采空區(qū)頂板裂隙三帶尚未形成,上下臨近煤層瓦斯無(wú)法涌出到該采空區(qū)內(nèi),采空區(qū)內(nèi)瓦斯生成量低于瓦斯抽采量,采空區(qū)內(nèi)瓦斯逐漸衰竭。

3.4 穿透鉆孔效果

對(duì)4321工作面回采過(guò)程中穿透鉆孔瓦斯抽采純量、混量及濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定,隨工作面推進(jìn)穿透鉆孔瓦斯抽采混量、純量及濃度變化曲線如圖9所示。

圖9 采空區(qū)穿透鉆孔瓦斯抽采量及濃度變化曲線Fig.9 Change curve of penetrating borehole’s gas extraction volume and concentration in goaf

由圖9可知,在工作面推進(jìn)過(guò)程中,采空區(qū)穿透鉆孔瓦斯抽采混量、純量及濃度變化波動(dòng)較大,瓦斯抽采純量最大可達(dá)10 m3/min以上,抽采濃度最高可達(dá)60%;工作面向前推進(jìn)至150 m左右時(shí),瓦斯抽采純量和濃度變化逐漸趨于穩(wěn)定,瓦斯抽采純量約3 m3/min,濃度約35%。

3.5 工作面瓦斯治理效果

通過(guò)采用高位定向長(zhǎng)鉆孔、采空區(qū)插管、上隅角埋管、中位鉆孔抽采及穿透鉆孔抽采等瓦斯治理方法,4321工作面回采過(guò)程中上隅角瓦斯?jié)舛葹?.32%～0.65%,平均約0.45%;工作面回風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.22%～0.52%,平均約0.38%;有效治理上隅角瓦斯,實(shí)現(xiàn)回采過(guò)程中瓦斯零超限、瓦斯零事故。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)礦井地質(zhì)條件、煤層及瓦斯賦存等因素,形成“高位定向長(zhǎng)鉆孔+采空區(qū)橫川埋管+采空區(qū)上隅角插管”方法強(qiáng)化采空區(qū)抽采為主,采空區(qū)中位鉆孔、采空區(qū)穿透鉆孔等抽采方法為輔的多層位立體式采空區(qū)瓦斯綜合治理方案。

(2)通過(guò)瓦斯治理方案現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施,4321工作面回采過(guò)程中上隅角瓦斯?jié)舛葹?.32%～0.65%,平均約0.45%;工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.22%～0.52%,平均約0.38%,有效解決工作面上隅角及回風(fēng)流瓦斯涌出問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)瓦斯零超限。