厚煤層綜采工作面瓦斯涌出規(guī)律及治理技術(shù)研究

摘 要：為探究厚煤層綜采工作面瓦斯來(lái)源構(gòu)成及涌出規(guī)律，以某礦2501工作面為研究對(duì)象，采用理論分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的研究方法，對(duì)該工作面瓦斯來(lái)源和涌出規(guī)律進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，工作面瓦斯?jié)舛茸赃M(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)總體呈增大的趨勢(shì)，且在60#～220#支架范圍內(nèi)瓦斯涌出量較大。本文提出采用本煤層順層鉆孔抽采+頂板走向高位鉆孔抽采+回風(fēng)隅角埋管抽采并采用本煤層淺孔快速?gòu)?qiáng)化抽采方法對(duì)工作面主要瓦斯涌出區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)治理的綜合瓦斯治理技術(shù)，有效降低了煤層殘余瓦斯含量，解決了回風(fēng)隅角瓦斯超限問(wèn)題，確保了工作面安全高效生產(chǎn)，為類似條件工作面瓦斯治理提供了一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：厚煤層；瓦斯來(lái)源；瓦斯?jié)舛?；治理措?/p>

中圖分類號(hào)：" "TD 712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 工程概況

甘肅某礦2501工作面位于二盤區(qū)東翼南部。工作面走向長(zhǎng)1060m（平距），傾斜寬301m（平距），回采平面積約316355m2；工作面標(biāo)高415.1m～458.2m，埋深641.2m～761.8m。2501工作面地表位于工業(yè)廣場(chǎng)東北側(cè)，2501工作面切眼位于L0鉆孔東北側(cè)242m～383m的溝壑、山林耕地上，停采線位于802和803鉆孔東南側(cè)102.1m～353m的山墚塬地上?；夭蓞^(qū)域內(nèi)除林地、塬間小路和少量廢棄窯洞外，其余皆為塬地溝壑。地面標(biāo)高為+1056.3m～+1220.0m。

2501工作面位于二盤區(qū)，工作面切眼東北部距DF23斷層最近距離71m，工作面切眼西北部靠近2202采空區(qū)，最近距離為6m；終采線西南距2202聯(lián)絡(luò)巷最近距離200m；該工作面東南距井田邊界最近距離69m。工作面回采區(qū)域上方局部為2201采空區(qū)，根據(jù)附近鉆孔資料和在工作面開(kāi)展2煤探查工程可知，工作面回采區(qū)域范圍內(nèi)2煤與5煤的層間距為3.2m～18m。

根據(jù)礦井生產(chǎn)能力及2501工作面對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)，2501工作面為瓦斯突出工作面。為確保2501工作面快速推進(jìn)和生產(chǎn)安全，須對(duì)工作面瓦斯構(gòu)成及涌出規(guī)律進(jìn)行分析，以制定有效的瓦斯治理措施。

2 工作面瓦斯構(gòu)成及涌出規(guī)律分析

2.1 煤層瓦斯含量

根據(jù)礦井煤層瓦斯涌出量預(yù)測(cè)報(bào)告可知，2501工作面瓦斯含量與埋深之間成正相關(guān)，瓦斯含量隨埋深增大而增加，煤層埋深每增加100m，瓦斯含量增加1.9m3/t，瓦斯含量與埋深之間的回歸關(guān)系如公式（1）所示。

W＝0.019H-0.8126 （1）

式中：W為煤層瓦斯含量；H為煤層埋深。

煤層厚度變化較小，屬較穩(wěn)定大部可采煤層，一采區(qū)煤層賦存穩(wěn)定平緩，斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。煤層瓦斯含量隨著埋深的增加而增加，總體上呈現(xiàn)由井田北部及南部向井田中部逐漸增大的趨勢(shì)。煤層最大瓦斯含量為11.78m3/t，含量最大值位于一采區(qū)中部，該處埋深663m。

2.2 工作面瓦斯來(lái)源構(gòu)成

根據(jù)2501工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果可知，回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為21.22m3/min，其中開(kāi)采層瓦斯涌出量為12.45m3/min，占比高達(dá)58.67%；鄰近層瓦斯涌出量為5.26m3/min，占比為24.79%；采空區(qū)瓦斯涌出量為3.51m3/min，占比為16.54%。由此可見(jiàn)，2501工作面瓦斯來(lái)源主要由開(kāi)采層、鄰近層和采空區(qū)瓦斯，且以開(kāi)采層瓦斯為主。當(dāng)進(jìn)行瓦斯治理時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮以本煤層瓦斯抽采為主、鄰近層抽采和采空區(qū)抽采為輔的綜合瓦斯治理方法。

2.3 工作面瓦斯涌出規(guī)律分析

為進(jìn)一步分析2501工作面瓦斯涌出規(guī)律，根據(jù)2501工作面240m的長(zhǎng)度，將其劃分為12個(gè)單元，每個(gè)單元布置1個(gè)瓦斯?jié)舛葴y(cè)站，測(cè)站間距為20m，每個(gè)測(cè)站布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)（如圖1所示），其中1#、2#、3#和4#測(cè)點(diǎn)分別對(duì)工作面煤壁、風(fēng)流中、液壓支架尾部和底板瓦斯進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)各測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，根據(jù)瓦斯與風(fēng)量平衡方程（公式（2）～公式（4））可獲得任一單元內(nèi)采空區(qū)漏風(fēng)量、瓦斯涌出量以及煤壁和落煤瓦斯涌出量。

Q進(jìn)+Q1-Q回=0 （2）

q采空區(qū)=Q1·c1 （3）

q工作面=Q回·c回-Q進(jìn)·c進(jìn)-q采空區(qū) （4）

式中：Q進(jìn)為工作面進(jìn)風(fēng)量；Q回為工作面回風(fēng)量；Q1為采空區(qū)漏風(fēng)量；q采空區(qū)為采空區(qū)瓦斯涌出量；c進(jìn)為進(jìn)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?；c回為回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋籧1為液壓支架尾部漏風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛取?/p>

2.3.1 沿工作面傾向瓦斯?jié)舛确植继卣?/p>

圖2為根據(jù)3#測(cè)點(diǎn)瓦斯觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制的沿工作面傾向瓦斯?jié)舛确植继卣鲌D。由圖2可知，工作面瓦斯?jié)舛茸赃M(jìn)風(fēng)順槽向回風(fēng)順槽側(cè)呈逐漸增大的變化特征，且在60#～220#支架范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛仍鲩L(zhǎng)速率較快，說(shuō)明該區(qū)域?yàn)楣ぷ髅嬷饕咚褂砍鲈础?/p>

2.3.2 支架尾部及底板瓦斯?jié)舛确植继卣?/p>

圖3為根據(jù)2#和4#測(cè)點(diǎn)瓦斯觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制的液壓支架尾部及底板瓦斯?jié)舛确植继卣鲌D。由圖3可知，液壓支架尾部及工作面底板處的瓦斯?jié)舛染∮?%，瓦斯?jié)舛染^低。這是因?yàn)?501工作面沿煤層底板布置，采用綜采一次采全高采煤方法，工作面煤炭回采率高，采空區(qū)遺煤少，采空區(qū)瓦斯涌出量較低。結(jié)合2501工作面瓦斯來(lái)源主要為開(kāi)采層瓦斯，鄰近層瓦斯涌出量?jī)H為工作面瓦斯涌出量的13.05%，因此可以基本忽略上下鄰近層的瓦斯涌出量。

2.3.3 煤壁瓦斯?jié)舛确植继卣?/p>

圖4為根據(jù)1#測(cè)點(diǎn)瓦斯觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制的工作面煤壁瓦斯?jié)舛妊毓ぷ髅鎯A向的分布特征圖。由圖4可知，工作面煤壁瓦斯?jié)舛茸赃M(jìn)風(fēng)順槽向回風(fēng)順槽側(cè)總體呈增大的趨勢(shì)，在數(shù)值上依次出現(xiàn)2個(gè)峰值，分別在100#～140#及160#～220#支架之間，且160#～220#支架范圍的峰值明顯大于100#～140#支架范圍的峰值。表明工作面煤壁瓦斯涌出強(qiáng)度沿工作面傾向方向存在2個(gè)較強(qiáng)的瓦斯涌出源，且160#～220#支架范圍為工作面瓦斯治理的重點(diǎn)區(qū)域。

3 工作面瓦斯治理技術(shù)

基于前文對(duì)2501工作面瓦斯來(lái)源構(gòu)成及涌出規(guī)律分析，本文提出采用本煤層順層鉆孔抽采+頂板走向高位鉆孔抽采+回風(fēng)隅角埋管抽采，同時(shí)針對(duì)工作面60#～220#支架范圍采用本煤層淺孔快速?gòu)?qiáng)化抽采重點(diǎn)治理工作面主要瓦斯涌出源的綜合瓦斯治理技術(shù)。

3.1 本煤層順層鉆孔抽采

2501工作面回采前，在工作面膠帶順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)垂直于煤壁向工作面施工本煤層順層瓦斯抽采鉆孔，鉆孔直徑為80mm，長(zhǎng)度為160m，鉆孔間距為8m，開(kāi)孔位置距順槽底板1.5m，封孔長(zhǎng)度不小于5m。

3.2 頂板走向高位鉆孔抽采

根據(jù)2501工作面巷道布置及煤層賦存條件，設(shè)計(jì)在2501回風(fēng)順槽內(nèi)布置鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)采用矩形斷面，斷面尺寸為3.2m×5.0m（高×寬），鉆場(chǎng)間距為30m，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置5個(gè)頂板走向高位鉆孔對(duì)上鄰近層瓦斯進(jìn)行抽采，鉆孔直徑為100mm，孔間距為500mm，孔深為150m，鉆孔與水平方向夾角為15°，開(kāi)孔位置距巷道頂板1.0m，封孔長(zhǎng)度為10m。

3.3 回風(fēng)隅角埋管抽采

2501工作面上行通風(fēng)導(dǎo)致回風(fēng)隅角因極易發(fā)生瓦斯集聚而發(fā)生回風(fēng)隅角瓦斯超限問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用回風(fēng)隅角埋管抽采方法對(duì)工作面回風(fēng)隅角瓦斯進(jìn)行抽采。設(shè)計(jì)在2501回風(fēng)順槽靠近巷幫處布置1根直徑為300mm的回風(fēng)隅角瓦斯抽采鋼管，在回風(fēng)隅角瓦斯抽采鋼管上每隔50m布置1個(gè)三通閥門，三通閥門上安裝1根2.0m長(zhǎng)的立管，在回風(fēng)隅角處的三通閥門上安裝1根直徑為110mm、長(zhǎng)度為35m的鋼絲軟管，該鋼絲軟管埋在采空區(qū)內(nèi)，一端與回風(fēng)順槽瓦斯抽采管路相連，另一端安裝采空區(qū)瓦斯抽采器?；仫L(fēng)隅角采空區(qū)前采用矸石袋進(jìn)行密閉。

4 瓦斯抽采系統(tǒng)及效果分析

4.1 礦井瓦斯抽采系統(tǒng)及管路

4.1.1 礦井瓦斯抽采系統(tǒng)

該礦井現(xiàn)已在回風(fēng)立井場(chǎng)地附近建成1座瓦斯抽采泵站，站內(nèi)安裝有瓦斯抽采設(shè)備4臺(tái)，其中2臺(tái)2BEC72型水環(huán)真空泵（1000kW）服務(wù)于礦井本煤層（高負(fù)壓）瓦斯抽采，1臺(tái)ZR7-750WP型濕式羅茨泵（710kW）及1臺(tái)2BEC80型水環(huán)真空泵（1000kW）服務(wù)于礦井鄰近層（低負(fù)壓）瓦斯抽采。

本次設(shè)計(jì)采用瓦斯抽采泵站的高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)負(fù)擔(dān)6號(hào)煤的本煤層瓦斯抽采任務(wù)，低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)負(fù)擔(dān)6號(hào)煤的鄰近層與采空區(qū)瓦斯抽采任務(wù)。

4.1.2 礦井瓦斯抽采管路

4.1.2.1 高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)管路

地面段和回風(fēng)立井主管選用?820mm×8mm的螺旋焊縫鋼管，煤層南回風(fēng)石門和回風(fēng)大巷干管選用?630mm×5mm的螺旋焊縫鋼管，2501工作面回風(fēng)順槽支管選用?530mm×5mm的螺旋焊縫鋼管。

4.1.2.2 低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)管路

地面段和回風(fēng)立井主管選用?820mm×8mm的螺旋焊縫鋼管，煤層南回風(fēng)石門和回風(fēng)大巷干管選用?530mm×5mm的螺旋焊縫鋼管，2501工作面采空區(qū)選用?426mm×5mm的螺旋焊縫鋼管。

4.2 瓦斯抽采效果分析

2501工作面回采前，在工作面膠帶順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)進(jìn)行本煤層順層鉆孔抽采瓦斯抽采時(shí)間不小于半年，采用瓦斯在線監(jiān)測(cè)和人工測(cè)量方法對(duì)本煤層順層鉆孔抽采階段工作面瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果表明，膠帶順槽本煤層順層鉆孔瓦斯抽采濃度為3.2%～16.5%，瓦斯抽采純量為0.35m3/min～5.62m3/min；回風(fēng)順槽本煤層順層鉆孔瓦

斯抽采濃度為8.6%～43.8%，瓦斯抽采純量為0.45m3/min～7.36m3/min。本煤層順層鉆孔瓦斯抽采結(jié)束后，工作面煤層殘余瓦斯含量測(cè)定值為2.58m3/t，相較于抽采前工作面煤層殘余瓦斯含量減少了8.05m3/t，減少幅度高達(dá)75.73%。由此可見(jiàn)，雖然工作面順槽本煤層順層鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量值較低，但是在工作面回采前進(jìn)行至少半年的本煤層順層鉆孔抽采，長(zhǎng)時(shí)間的抽采確保了本煤層順層鉆孔瓦斯抽采對(duì)工作面瓦斯治理的良好效果[1-3]。

4.3 頂板走向高位鉆孔抽采及回風(fēng)隅角埋管抽采效果分析

2501工作面回采期間采用頂板走向高位鉆孔抽采及回風(fēng)隅角埋管抽采方法進(jìn)行抽采后，工作面回采期間回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛葹?.43%～0.65%，工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葹?.15%～0.29%，工作面回風(fēng)隅角和回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛戎稻陀谕咚钩蘧渲?.0%。由此可見(jiàn)，采用頂板走向高位鉆孔抽采及回風(fēng)隅角埋管抽采方法對(duì)工作面瓦斯治理效果顯著，工作面回采期間回風(fēng)隅角未發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象，確保了工作面安全、高效生產(chǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

以某礦2501工作面為研究對(duì)象，對(duì)工作面瓦斯來(lái)源構(gòu)成及涌出規(guī)律進(jìn)行分析，指出工作面瓦斯來(lái)源以本煤層瓦斯為主，其次為鄰近層瓦斯，且在60#～220#支架范圍內(nèi)瓦斯涌出量較大。本文提出采用本煤層順層鉆孔抽采+頂板走向高位鉆孔抽采+回風(fēng)隅角埋管抽采并采用本煤層淺孔快速?gòu)?qiáng)化抽采方法對(duì)工作面主要瓦斯涌出區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)治理的綜合瓦斯治理技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，該綜合瓦斯治理技術(shù)有效降低了煤層殘余瓦斯含量和工作面回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛?，有效解決了工作面回風(fēng)隅角易發(fā)生瓦斯超限的問(wèn)題，為工作面安全、高效生產(chǎn)提供了保障。

參考文獻(xiàn)

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