萬峰煤礦高瓦斯工作面瓦斯綜合治理技術(shù)研究

張紅星

（山西金暉 萬峰煤礦，山西 孝義 032300）

1 工作面概況

山西金暉萬峰煤礦1117 工作面位于一水平一采區(qū)南翼軌道上山正西側(cè)，正南為1401 工作面（尚未開掘），正北為1115 工作面（回采結(jié)束），正東有南翼軌道、皮帶、回風(fēng)3 條上山。工作面相應(yīng)地面位置位于高仁村正東部，工作面地表為農(nóng)田地，地表主要為黃土覆蓋，工作面回采對(duì)地表無影響。該工作面回采煤層為山西組1 號(hào)煤，煤層總厚1.71 m，黑色，半亮煤，煤層厚度穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含3 層較穩(wěn)定的夾矸，屬焦煤，1 號(hào)煤頂板上距1 上煤2 ～6 m，煤層頂?shù)装鍘r層情況如圖1所示。1117 綜采工作面西至切眼，東至南翼軌道上山保護(hù)煤柱，南北至上下順槽，走向長度1 493 m，傾斜長度136 m。井田以副井為界，其南部為一采區(qū)，該采區(qū)布置有南翼軌道、皮帶、回風(fēng)3 條上山，南翼軌道、回風(fēng)上山通過聯(lián)絡(luò)巷或直接與各回采工作面運(yùn)輸及回風(fēng)順槽相聯(lián)接，形成采區(qū)的輔助運(yùn)輸、煤炭運(yùn)輸和通風(fēng)等生產(chǎn)系統(tǒng)。1117 綜采工作面位于一水平一采區(qū)西南部，主要由進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽、切眼以及連接南翼軌道上山的聯(lián)絡(luò)巷組成，其中進(jìn)風(fēng)順槽鋪設(shè)皮帶運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、乳化泵等設(shè)備，主要用于提供新鮮風(fēng)流、煤炭運(yùn)輸、行人等?；仫L(fēng)順槽安設(shè)無極繩絞車等設(shè)備，主要用于回風(fēng)、運(yùn)料、行人等。切眼主要用于工作面支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的安裝。1117進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽沿1 號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，為半煤巖巷道。

圖1 綜合地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Comprehensive geological histogram

2 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)及抽采的必要性分析

根據(jù)中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司所提交的測(cè)試報(bào)告，1 號(hào)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)如下：

根據(jù)萬峰煤礦1 號(hào)煤層賦存條件可以看出，1117 工作面主要瓦斯來源為本煤層和鄰近層，根據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》 中的計(jì)算方法，采用下式進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)計(jì)算[1-2]：

式中：q采為相對(duì)瓦斯涌出總量， m3/t；q1為本煤層涌出量，m3/t；q2為鄰近層涌出量，m3/t。

（1） 開采層相對(duì)瓦斯涌出量q1。

式中：k1為巷道圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取1.30；k2為遺煤涌出系數(shù)，取1.05；k3為準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)本煤層瓦斯涌出影響系數(shù)，取0.74；M 為煤柱總厚，取1.54 m；m 為采高，取1.7 m；Wo 為開采煤層原始瓦斯含量，為6.90 m3/t；Wc 為殘存瓦斯含量，取2.30 m3/t。計(jì)算可得q1=4.21 m3/t。

（2） 鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量q2。

式中：mi為第i 個(gè)鄰近層煤層厚度，m；M 為回采工作面開采高度，m；hi為第i 個(gè)鄰近層與回采煤層之間的垂直距離，m；Woi為原始瓦斯含量，m3/t；Wci為殘存瓦斯含量，m3/t；ηi為瓦斯排放率，%；當(dāng)鄰近層位于冒落帶中時(shí)ηi=1；當(dāng)采高小于4.5 的條件下，ηi按圖2 選取[3～4]。

圖2 近層瓦斯排放率與層間距的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between near-layer gas emission rate and layer spacing

1 號(hào)煤層回采時(shí)主要影響鄰近層為1 號(hào)上煤和2 號(hào)煤，其中1 號(hào)上煤瓦斯含量Woi取4.36 m3/t，煤層殘存瓦斯含量Wci取2.39 m3/t；2 號(hào)煤Woi取6.37 m3/t，Wci取1.64 m3/t；3 號(hào)和5 號(hào)煤參照1 號(hào)煤選取，瓦斯含量Woi取6.90 m3/t，煤層殘存瓦斯含量Wci取2.30 m3/t。根據(jù)表1 計(jì)算可得1117 工作面開采期間鄰近層總瓦斯涌出量為3.21 m3/t。

表1 鄰近煤層相對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果匯總Table 1 Summary table of calculation results of relative gas emission from adjacent coal seams

按照日產(chǎn)2 300 t 最大產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算，則經(jīng)過計(jì)算可得：

Wmax= W本煤層+ W鄰近層=6.72 m3/min+5.22 m3/min=11.94 m3/min，式中Wmax為工作面最大瓦斯涌出量。

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》，回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量大于5 m3/min 礦井須進(jìn)行瓦斯抽采。1117 工作面回采期間的瓦斯涌出量預(yù)計(jì)為11.94 m3/min，為了確保安全生產(chǎn)，設(shè)計(jì)在1117 工作面進(jìn)行瓦斯抽采。

3 綜合抽采技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1 頂板走向定向長鉆孔抽采

在1117 回風(fēng)順槽共施工4 個(gè)定向鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)寬10 m，深5 m，高3.2 m。設(shè)計(jì)每個(gè)定向鉆場(chǎng)共施工5 個(gè)φ133 mm 頂板走向定向長鉆孔，單孔主孔設(shè)計(jì)孔深為400 m。鉆孔層位處于1 號(hào)煤層上部12 ～15 m，內(nèi)錯(cuò)1107 回風(fēng)順槽20 ～40 m，2 組鉆孔之間要求搭接不少于50 m，用于抽采1117 回采工作面采空區(qū)裂隙帶瓦斯。定向鉆孔布置如圖3 所示，鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。預(yù)計(jì)1117 工作面頂板定向走向長鉆孔可達(dá)2.5 m3/min。

表2 1117 回風(fēng)順槽頂板走向定向長鉆孔施工參數(shù)Table 2 Parameter table of 1117 air return gateway roof directional long drilling construction

圖3 1117 回風(fēng)順槽頂板走向定向長鉆孔施工示意Fig.3 Directional long drilling construction of roof strike in 1117 return air crossheading

3.2 上鄰近層鉆孔抽采

1117 進(jìn)風(fēng)順槽掘進(jìn)方向左幫施工高位鉆場(chǎng)（位于1 號(hào)上煤層），高位鉆場(chǎng)間距均為160 m，施工期間執(zhí)行石門揭煤措施。每個(gè)高位鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)施工20 ～35 個(gè)鉆孔，鉆孔直徑94 mm，鉆孔開孔間距0.4 m，鉆孔深度76 ～100 m。以28 個(gè)扇形鉆孔為例，鉆孔參數(shù)見表3（鉆孔傾角根據(jù)施工地點(diǎn)煤層賦存情況進(jìn)行調(diào)整）。預(yù)計(jì)1117 工作面上鄰近層鉆孔瓦斯抽采量可達(dá)0.66 m3/min。

表3 1117 進(jìn)風(fēng)順槽高位鉆場(chǎng)1 號(hào)上煤鉆孔參數(shù)Table 3 Parameter table of No.1 upper coal borehole in high drilling field of 1117 air inlet crossheading

3.3 上隅角埋管抽采

結(jié)合相似工作面上隅角瓦斯治理成功案例，在上隅角位置采用“雙埋管法”對(duì)采空區(qū)瓦斯抽采效果較好，因此在1117 工作面沿用雙埋管抽采技術(shù)，①淺部埋管：淺管布置在回風(fēng)順槽實(shí)體煤壁一側(cè)，管口與采空區(qū)切線距離控制在10 m 之內(nèi)；②深部埋管：管路布置在回風(fēng)順槽靠近區(qū)段煤柱一側(cè)，管口與采空區(qū)切線距離控制在20 m 之內(nèi)；布置詳情如圖4 所示，根據(jù)其他回采面抽采經(jīng)驗(yàn)，預(yù)計(jì)雙埋管法抽采量4.0 m3/min。

圖4 1117 回采面上隅角雙埋管法抽采示意Fig.4 Double buried pipe method extraction schematic of 1117 mining face upper corner

3.5 抽采效果分析

預(yù)計(jì)1117 工作面回采期間瓦斯抽采量為2.5+0.66+4+0.5=7.66 m3/min，工作面回采期間最大瓦斯涌出量為11.94 m3/min，則風(fēng)排瓦斯量11.94-7.66=4.28 m3/min。瓦斯抽采率為64.2%，符合《煤礦瓦斯抽放基本指標(biāo)》規(guī)定的50%以上抽采率，可保障工作面的生產(chǎn)安全。

4 結(jié) 語

為了將萬峰煤礦1117 綜采工作面瓦斯?jié)舛冉抵涟踩珴舛纫韵?，通過理論計(jì)算預(yù)測(cè)工作面瓦斯涌出量，確定工作面必須進(jìn)行瓦斯抽采，提出頂板長鉆孔抽采采空區(qū)裂隙帶瓦斯、傾斜鉆孔抽采上鄰近層瓦斯、雙埋管抽采采空區(qū)上隅角瓦斯、順層鉆孔抽采本煤層瓦斯綜合治理技術(shù)，預(yù)計(jì)瓦斯抽采率可達(dá)到64.2%，符合相關(guān)規(guī)定的要求，實(shí)現(xiàn)工作面的安全生產(chǎn)。