采煤工作面回風(fēng)隅角瓦斯積聚治理技術(shù)研究

任 鵬

(靈石縣應(yīng)急管理局,山西 靈石 031300)

瓦斯是制約煤炭安全生產(chǎn)的威脅之一,隨著礦井采掘推進速度加快,煤炭產(chǎn)量不斷增大,回采工作面瓦斯涌出量也在不斷增加[1-2]。特別是采空區(qū)內(nèi)積聚的大量高濃度瓦斯,在漏風(fēng)、通風(fēng)負(fù)壓等多因素作用下,容易導(dǎo)致U型通風(fēng)工作面回風(fēng)隅角位置瓦斯集聚,從而導(dǎo)致瓦斯體積分?jǐn)?shù)偏高甚至超限等問題。避免回風(fēng)隅角瓦斯集聚、降低瓦斯涌出量以及回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)是實現(xiàn)采煤工作面安全回采的關(guān)鍵點之一[3-5]。眾多的學(xué)者及技術(shù)人員對回風(fēng)隅角瓦斯集聚治理技術(shù)展開研究,并提出采用定向長鉆孔、高抽巷、大直徑鉆孔抽放、均壓通風(fēng)、高位鉆孔等多種治理措施,現(xiàn)場應(yīng)用均取得一定的效果[6-7]。文中在借鑒以往研究成果的基礎(chǔ)上,針對山西某礦11302采煤工作面回采布置、回風(fēng)隅角瓦斯涌出等情況,合理確定回風(fēng)隅角瓦斯集聚治理技術(shù),達(dá)到了減少采空區(qū)瓦斯涌出、控制瓦斯體積分?jǐn)?shù)的目的,確保了采面生產(chǎn)安全。

1 工程概況

山西某礦為高瓦斯礦井,現(xiàn)階段生產(chǎn)主要集中在11號煤層,11302采煤工作面為3采區(qū)的第2個回采工作面,采面設(shè)計走向、傾向長度分別為2 882 m,200 m,回采范圍內(nèi)煤層厚度均值為2.49 m,煤層傾角0°～8°,均值4°.11號煤層賦存較為穩(wěn)定,全區(qū)可采,煤層頂?shù)装鍘r性以粗砂巖、泥巖為主,具體巖性參數(shù)見表1.11號煤層上覆30 m,56 m分別為10號煤層(局部可采、厚度0.5～1.2 m)、9號煤層采空區(qū);11號煤層下覆89 m為13號煤層。

表1 11號煤層頂?shù)装鍘r性

11302采煤工作面采用U型通風(fēng)方式,配風(fēng)量為1 930 m3/min,采面回采期間瓦斯絕對涌出量為10.36 m3/min,相對瓦斯涌出量為6.97 m3/t.采面推進期間,回風(fēng)隅角瓦斯出現(xiàn)一定程度集聚,結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件以及煤層賦存情況,分析認(rèn)為回風(fēng)隅角瓦斯主要源于兩個方面:①采動影響范圍內(nèi)鄰近層卸壓瓦斯;②采空區(qū)遺煤解吸瓦斯。在采面回風(fēng)漏風(fēng)及通風(fēng)負(fù)壓等影響下,采空區(qū)及頂板裂隙內(nèi)大量高濃度瓦斯從回風(fēng)隅角位置涌出,從而導(dǎo)致瓦斯集聚甚至存在瓦斯超限風(fēng)險(監(jiān)測到回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到0.79%) ,因此,需要結(jié)合采面現(xiàn)場實際情況針對性制定回風(fēng)隅角瓦斯集聚治理技術(shù)措施。

2 回風(fēng)隅角瓦斯集聚治理方案及效果分析

2.1 瓦斯集聚治理方案

減少采空區(qū)及頂板裂隙瓦斯涌出量是實現(xiàn)回風(fēng)隅角瓦斯集聚治理的關(guān)鍵所在,具體可采取的措施包括改變采空區(qū)瓦斯流場(采空區(qū)埋管、高抽巷、高位鉆孔等)、回風(fēng)隅角端頭封堵、降低回風(fēng)隅角及采空區(qū)間壓差(以均壓通風(fēng)為主)。從施工難度、對采面回采影響以及經(jīng)濟投入等方面考慮,提出在11302采煤工作面綜合插管抽采、高位鉆孔方式進行回風(fēng)隅角瓦斯集聚治理。

2.1.1 采空區(qū)插管抽采

11302采空區(qū)內(nèi)大量高濃度瓦斯從回風(fēng)隅角涌出是導(dǎo)致回風(fēng)隅角瓦斯集聚、體積分?jǐn)?shù)偏高的主要原因,因此提出在回風(fēng)隅角位置通過布置插管方式進行瓦斯抽采,插管布置情況見圖1.插管選用Φ200 mm、長15 m的鐵花管,在插管外部使用窗紗包裹并從回風(fēng)隅角位置插入到采空區(qū)內(nèi);插管尾部進入到采空區(qū)深部超過2 m;在回風(fēng)隅角位置使用尼龍布、沙袋及黃泥等混合材料砌筑煤袋墻,墻體呈弧形,同時確保墻體末端與工作面切眼平行,封堵墻體按照15 m間隔布置。采空區(qū)插管與回風(fēng)巷抽采管連接位置布置排渣三通、過濾網(wǎng)、控制閥以及流量計等設(shè)備,以便對采空區(qū)抽采參數(shù)進行調(diào)控。

圖1 采空區(qū)回風(fēng)隅角插管抽采示意

2.1.2 高位鉆孔抽采

高位鉆孔抽采頂板裂隙瓦斯的關(guān)鍵在于合理確定鉆孔終孔層位。根據(jù)已有研究成果并結(jié)合11302采煤工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件,11302采煤工作面回采后頂板冒落帶(H1)、裂隙帶(H2)可分別采用下述公式確定[8-9]:

(1)

(2)

式中:m為11302采煤工作面采高,取2.49 m;k0為采面回采后頂板巖體碎脹系數(shù),取1.3;α為采面回采區(qū)域煤層傾角,取4°.將上述參數(shù)帶入公式(1)、(2)中,求得H1=8.3 m,H2=32.8 m.高位鉆孔布置時應(yīng)布置在裂隙帶位置,但是若靠近垮落帶則受裂隙發(fā)育影響,導(dǎo)致鉆孔抽采混量較大,但是瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)偏低,同時會增大采空區(qū)漏風(fēng)量;若靠近裂隙帶上部邊界,則由于裂隙發(fā)育程度低,雖然鉆孔瓦斯體積分?jǐn)?shù)高,但是抽采流量偏低。為此,將11302采煤工作面高位鉆孔終孔布置在裂隙帶中上部處,具體在11號煤層上覆15～20 m位置。11302工作面高位鉆孔布置情況見圖2.

圖2 高抽鉆孔布置圖

回風(fēng)巷高位鉆孔朝向采面開切眼方向,鉆孔開孔布置在回風(fēng)巷采面幫與頂板交界面位置,在距離切眼30 m位置布置第1組高位鉆場,高位鉆場間隔為30 m,高位鉆場內(nèi)布置4個高位鉆孔,鉆孔布置參數(shù)見表2.高位鉆孔孔徑統(tǒng)一為113 mm,1號、2號、3號及4號鉆孔與回風(fēng)巷煤壁水平投影間距分別為15 m,25 m,35 m,45 m,1號及2號鉆孔終孔高度與11號煤層頂板間距均為15 m,3號及4號鉆孔終孔高度與11號煤層頂板間距均為20 m.高位抽采鉆孔與井下瓦斯抽采系統(tǒng)連接位置布置輔助抽采裝置,包括流量計、氣壓計、閥門、觀測嘴以及放水器等,在封孔裝置與抽采管路間使用鎧裝膠管。鉆孔抽采負(fù)壓控制在10～12 kPa,一排4個鉆孔共用1個集氣管接入瓦斯抽采系統(tǒng)中?，F(xiàn)場應(yīng)用后,瓦斯抽采純量穩(wěn)定在2.5 m3/min左右。

表2 高位鉆孔施工參數(shù)

2.2 回風(fēng)隅角瓦斯治理效果

在11302采煤工作面采用插管、高位鉆孔對采空區(qū)及頂板裂隙瓦斯進行抽采后,對回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)進行跟蹤監(jiān)測,結(jié)果見圖3.

圖3 回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測結(jié)果

從監(jiān)測結(jié)果可知,在30 d監(jiān)測時間內(nèi),回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在0.25%～0.43%之間,回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在安全范圍內(nèi)。瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高為0.4%,出現(xiàn)在回風(fēng)隅角瓦斯治理初期;治理措施應(yīng)用之前,回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)到0.79%;瓦斯治理措施應(yīng)用后,回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)減少了0.39%.回風(fēng)隅角瓦斯治理措施應(yīng)用后,有效解決了回風(fēng)隅角瓦斯集聚、體積分?jǐn)?shù)偏高等問題,提高了采面安全生產(chǎn)保障能力。

3 結(jié) 語

11302采煤工作面回風(fēng)隅角受開采煤層瓦斯含量高、鄰近煤層卸壓瓦斯涌出、采面漏風(fēng)以及采空區(qū)瓦斯涌出等多因素影響,回風(fēng)隅角瓦斯集聚、瓦斯體積分?jǐn)?shù)偏高,給采面安全生產(chǎn)帶來制約。為此,結(jié)合采面現(xiàn)場實際情況,提出通過插管、高位鉆孔對采空區(qū)及頂板裂隙高濃度瓦斯進行抽采,通過改變瓦斯流場減少回風(fēng)隅角瓦斯溢出量,有效控制瓦斯體積分?jǐn)?shù)。

在回風(fēng)隅角按照15 m砌筑弧形煤袋墻,并插入Φ200 mm、長15 m的鐵花管,通過低負(fù)壓對采空區(qū)瓦斯進行抽采,鐵花管形成的低負(fù)壓改變瓦斯流場,從而減少采空區(qū)瓦斯涌出;在回風(fēng)巷布置高位鉆孔,對水平方向控制采面靠近回風(fēng)巷15～45 m、垂向控制煤層頂板14.95～19.92 m范圍內(nèi)裂隙瓦斯進行抽采,減少裂隙瓦斯向回風(fēng)隅角涌出量。現(xiàn)場應(yīng)用后,11302采煤工作面回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在0.25%～0.43%之間,取得了較好的瓦斯治理效果。