辛置煤礦回采工作面瓦斯治理技術(shù)探究

張金山 周連清 李慶卯 王 淇

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市，014010；2.霍州煤電公司辛置煤礦，山西省霍州市，031400）

1 工作面概況

霍州煤電辛置煤礦2-106 工作面開采2＃煤層，為自燃煤層，平均傾角4°，平均煤厚3.6 m，頂?shù)装寰鶠樯迟|(zhì)泥巖。2＃煤層瓦斯壓力為0.51～0.60MPa，瓦斯含量4.41～5.68m3／t，透氣性系數(shù)0.2～0.5 m2／MPa2·d，鉆孔流量衰減系數(shù)0.027～0.029d-1。煤層瓦斯涌出量大，瓦斯運(yùn)移規(guī)律復(fù)雜，具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，屬于可抽煤層。

2-106工作面進(jìn)風(fēng)巷走向長(zhǎng)度1480m，開切眼傾斜長(zhǎng)230m，回風(fēng)巷長(zhǎng)1380m，采用U 型通風(fēng)，綜合機(jī)械化采煤法，采用金屬支架支護(hù)一次采全高，全部垮落法管理頂板。

2 2-106工作面瓦斯涌出量來(lái)源及預(yù)測(cè)分析

2.1 2-106掘進(jìn)工作面瓦斯涌出來(lái)源

2-106工作面煤層頂?shù)装寰鶠橹旅艿纳迟|(zhì)泥巖，透氣性差，工作面在過(guò)斷層時(shí)炮眼中測(cè)定瓦斯?jié)舛葞缀鯙榱?，因此工作面瓦斯?lái)源基本為本煤層瓦斯。

2.2 工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

掘進(jìn)工作面瓦斯來(lái)源包括開采層瓦斯涌出：

式中：Q瓦——掘進(jìn)期間一天瓦斯涌出量，m3；

N平——掘進(jìn)工作面一天中回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕骄担?.2%；

F吸——掘進(jìn)工作面局部通風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量，取400m3／min；

D——掘進(jìn)時(shí)間取一天，取1440min。

掘進(jìn)一天的落煤量：

式中：T煤——掘進(jìn)一天的落煤量，t；

L——掘進(jìn)工作面巷道高度，取3.8m；

K ——掘進(jìn)工作面巷道寬度，取4.2m；

V掘——掘進(jìn)一天的進(jìn)尺，取9m；

Λ——煤的密度，取1.35t／m3。

瓦斯相對(duì)涌出量：

式中：Q相——瓦斯相對(duì)涌出量，m3／t。

經(jīng)計(jì)算Q瓦=1152m3，T煤=193.9t，Q相=5.9 m3／t。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)2-106工作面相對(duì)瓦斯涌出量為5.9m3／t。根據(jù)2-106工作面生產(chǎn)組織安排，按產(chǎn)煤量4000t／d，可算出2-106工作面瓦斯涌出量為23600m3／d，即2-106工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為16.4m3／min。

2.3 工作面供給風(fēng)量及工作面抽采瓦斯的必要性

2-106工作面現(xiàn)采用一進(jìn)一回U 型通風(fēng)方式，即帶式輸送機(jī)巷進(jìn)風(fēng)、軌道巷回風(fēng)。按工作面瓦斯涌出量、工作面適宜風(fēng)速、工作面同時(shí)工作最多人數(shù)對(duì)工作面進(jìn)行配風(fēng)量計(jì)算，以及風(fēng)速驗(yàn)算，工作面總配風(fēng)量為1800 m3／min。根據(jù)2-106掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量結(jié)果及相鄰工作面2-104回采期間的瓦斯涌出量情況，2-106工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為16.4m3／min，絕對(duì)瓦斯涌出量大于5m3／min，且預(yù)計(jì)該工作面風(fēng)排瓦斯量為9m3／min，單靠通風(fēng)方法解決瓦斯問(wèn)題已不合理，因此有必要對(duì)該面進(jìn)行瓦斯抽采。

3 2-106工作面瓦斯治理技術(shù)

3.1 風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)技術(shù)

通過(guò)對(duì)2-106 工作面理論分析和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，得出工作面的風(fēng)流運(yùn)動(dòng)狀況是引起瓦斯積聚的一個(gè)重要原因。由于2-106工作面上隅角回風(fēng)巷口和采空區(qū)側(cè)風(fēng)流速度很低，使局部處于渦流形式，當(dāng)煤壁和采空區(qū)涌出的大量瓦斯在瓦斯壓力的作用下移動(dòng)到上隅角后，渦流運(yùn)動(dòng)使其在渦流區(qū)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)從而難以進(jìn)入到主風(fēng)流中，高濃度瓦斯在回風(fēng)隅角和回風(fēng)巷口循環(huán)運(yùn)動(dòng)聚集在渦流區(qū)中，形成上隅角瓦斯積聚。利用傳統(tǒng)的設(shè)置臨時(shí)風(fēng)障方法，迫使工作面上隅角改變風(fēng)流狀態(tài)，從而達(dá)到降低上隅角瓦斯?jié)舛鹊哪康?。具體布置如圖1所示。

3.2 本煤層抽放

根據(jù)該面煤層走向以及軌道巷與帶式輸送機(jī)巷的高差情況 （軌道巷低、帶式輸送機(jī)巷高），在軌道巷布置本煤層鉆孔，傾角均為正值，利于施工。

在2-106正巷距煤壁5m 處施工第一個(gè)鉆孔，以后每隔5 m 施工一個(gè)鉆孔，鉆孔終孔位置距帶式輸送機(jī)巷煤壁15m 進(jìn)行瓦斯抽放。本煤層鉆孔均垂直于軌道巷布置，以正北方向?yàn)閰⒄?，則鉆孔的方位角均為320.5°；鉆孔的傾角為煤層傾角，根據(jù)地質(zhì)等高線計(jì)算軌道巷與帶式輸送機(jī)巷間的各段煤層傾角為4°～7°，考慮到鉆孔實(shí)際施工過(guò)程中鉆桿的下沉量，取鉆孔的傾角大于煤層傾角1°，鉆孔間距為5 m，鉆孔開孔和終孔孔徑均為94 mm，鉆孔開孔位置距離巷道底板1.2～1.3m。鉆孔深度按切眼長(zhǎng)度減15m 設(shè)計(jì)，則本煤層鉆孔深度為200m。

2-106正巷施工鉆孔276 個(gè)，合計(jì)施工鉆孔進(jìn)尺為55200m。此方法不僅可以保證瓦斯預(yù)抽的均衡性，還可充分利用工作面超前采動(dòng)卸壓效應(yīng)，實(shí)行邊采邊抽，提高本煤層瓦斯抽采率。鉆孔布置如圖2所示，圖2 （b）中的橫坐標(biāo)表示工作面長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)表示標(biāo)高。

3.3 高位鉆孔抽放

高位裂隙鉆孔在回風(fēng)巷頂板上布置，布置時(shí)預(yù)先在巷道頂板上確定鉆孔位置，鉆孔終孔位置在采空區(qū)冒落帶上方裂隙帶內(nèi)。鉆孔分組布置，每組3排，每排3個(gè)鉆孔，共計(jì)9個(gè)鉆孔。第一組距切巷煤壁60m 打鉆孔，鉆孔距巷道北幫1m，每組鉆孔間距為60m，每排間距1m，鉆孔間距0.5m，鉆孔直徑94mm，工作面編號(hào)從1到9的高位裂隙鉆孔布置如圖3所示。

圖1 2-106工作面風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)布置

圖2 2-106本煤層抽采鉆孔設(shè)計(jì)圖

圖3 2-106工作面高位裂隙抽放鉆孔布置圖

3.4 抽采系統(tǒng)布置

根據(jù)2-106工作面所屬310首采區(qū)的抽放管路布置情況，同時(shí)考慮到該面實(shí)際巷道和鉆孔的布置情況，現(xiàn)確定在2-106巷布置兩趟直徑280mm PE抽放管路 （管路總長(zhǎng)度1660 m），管路從副巷經(jīng)106回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷并入310首采區(qū)回風(fēng)下山的直徑為500mm 抽放干管，形成抽放系統(tǒng)。工作面具體抽放管路敷設(shè)為2-106副巷 （?280mm PE 管路）→2-106回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷 （?280mm PE管路）→南區(qū)310首采區(qū)回風(fēng)大巷 （?500mm 管路）→南區(qū)310回風(fēng)大巷 （?500mm 管路）→風(fēng)井 （?500 mm 管路）→地面抽放泵站。

3.5 優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)

2-106工作面采用U 型通風(fēng)方式，針對(duì)該工作面瓦斯涌出量的實(shí)際情況，加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整和通風(fēng)設(shè)施維護(hù)，在煤礦安全規(guī)程允許的風(fēng)速范圍內(nèi)增大配風(fēng)量，可使上隅角積聚區(qū)風(fēng)流與工作面主風(fēng)流的對(duì)流作用加大，從而使風(fēng)流攜帶出的瓦斯量增大。但是，當(dāng)工作面通風(fēng)量提高到一定程度后，繼續(xù)加大通風(fēng)量不僅達(dá)不到稀釋瓦斯?jié)舛鹊哪康?，還會(huì)起到相反的作用，因?yàn)殡S著風(fēng)量的提高，負(fù)壓增大，采空區(qū)的風(fēng)流速度加大，使采空區(qū)的瓦斯流線延深，加強(qiáng)了風(fēng)流與采空區(qū)內(nèi)瓦斯的交換，從而引起采空區(qū)漏風(fēng)量增加，加大了采空區(qū)瓦斯的涌出量，會(huì)給工作面瓦斯治理增加難度。風(fēng)量過(guò)大還會(huì)導(dǎo)致工作面粉塵濃度增大，對(duì)工作環(huán)境產(chǎn)生影響。另外，2＃煤層自然發(fā)火傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，具有煤塵爆炸性，通風(fēng)量過(guò)大會(huì)引起采空區(qū)內(nèi)部的氧化層變寬，也會(huì)使區(qū)域內(nèi)火災(zāi)可能性增大。所以工作面的風(fēng)量應(yīng)控制適當(dāng)，達(dá)到最理想狀態(tài)。

4 瓦斯治理效果

根據(jù)2-106工作面風(fēng)排瓦斯量和抽放瓦斯量的數(shù)據(jù)，工作面抽放率為：

式中：dk——工作面抽放率；

qkc——抽放瓦斯量，取7.46m3／min；

qkf——工作面風(fēng)排瓦斯量，取9m3／min。

經(jīng)計(jì)算，工作面抽放率為45%。

通過(guò)上述抽采方法的應(yīng)用，工作面實(shí)際抽放率達(dá)到43%，基本符合預(yù)測(cè)抽放率，瓦斯抽放濃度為6%～9%，若跟風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)配合，回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)將控制在0.8%以下，徹底解決了回風(fēng)隅角瓦斯超限問(wèn)題。工作面生產(chǎn)時(shí)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛炔怀^(guò)0.5%，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

5 結(jié)論

回采工作面瓦斯治理是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合治理工作，應(yīng)該針對(duì)不同煤層的特點(diǎn)，因地制宜。掌握瓦斯涌出來(lái)源及規(guī)律，科學(xué)合理地選取治理措施才能達(dá)到預(yù)期效果。辛置煤礦通過(guò)本煤層和高位鉆孔抽放并配合相關(guān)技術(shù)措施綜合治理后，不僅巷道瓦斯?jié)舛冗_(dá)到安全要求，同時(shí)又避免了布置專門的瓦斯抽排巷道，為煤礦節(jié)約了資源，為全礦的安全生產(chǎn)提供了保障。

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