突出礦井瓦斯抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

宋 杰

(西山煤電(集團(tuán))公司官地礦，山西 太原 030022)

1 概況

西山煤電集團(tuán)東曲煤礦主要開采 2#、4#、8#、9#煤層?，F(xiàn)開采的2#、4#、8#煤屬于不易自燃發(fā)火煤層，具有爆炸危險(xiǎn)性，采用平硐、斜井聯(lián)合開拓。東曲礦主要瓦斯來源為本煤層采空區(qū)及上部鄰近層有效卸壓區(qū)內(nèi)及圍巖涌出的瓦斯，相對瓦斯涌出量12.86 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量 82.18 m3/min，屬于高瓦斯礦井。隨著礦井開采深度加大和工作面單產(chǎn)水平的提高，工作面絕對瓦斯涌出量不斷增大，雖然采用了增大工作面配風(fēng)量等措施，但瓦斯仍然經(jīng)常達(dá)到臨界報(bào)警范圍，僅靠通風(fēng)方法已不能解決瓦斯超限問題。采用鉆孔抽放存在難鉆進(jìn)、易塌孔、流量小等問題，瓦斯治理效果不理想。為此，要在研究工作面回采引起上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合以往的瓦斯抽放經(jīng)驗(yàn)，采用科學(xué)方法確定瓦斯高抽巷的合理位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高瓦斯厚煤層綜合機(jī)械化采煤工作面瓦斯的有效治理和礦井的高產(chǎn)高效。以東曲礦+860水平28202工作面為研究對象，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)室相似模擬實(shí)驗(yàn)，深入分析工作面開采引起上覆巖層移動(dòng)變形規(guī)律和裂隙場分布規(guī)律及圍巖裂隙場發(fā)育過程，研究分析裂隙場的分布及發(fā)育過程對抽放瓦斯效果的影響，確定合理的高抽巷布置方式和參數(shù)，提出高抽巷的布置方案。確定在對28202工作面進(jìn)行施工的同時(shí)，對28202高抽巷進(jìn)行掘進(jìn)，總計(jì)掘進(jìn)長度1 395 m，且高抽巷與28202工作面皮帶順槽內(nèi)錯(cuò)距離在25～30 m，巷道與8#煤層的垂直距離在25～45 m。

2 28202高抽巷試驗(yàn)研究

2.1 28202工作面地質(zhì)情況

28202工作面位于東曲礦二采區(qū)+860水平，工作面標(biāo)高882～923 m，地面標(biāo)高1 042～1 215 m，蓋山厚度148～293 m。該工作面北東為+860水平二采區(qū)邊界回風(fēng)巷;北西為+860水平猴車暗斜井;南東為+860水平總回風(fēng)巷;南西為已規(guī)劃的28204工作面。上方2#、4#煤已回采、7#煤未回采。4#～8#煤的層間距為66～81 m。工作面走向長度978 m，傾斜長度206 m。該工作面煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，賦存較穩(wěn)定。8#煤層厚度2.2 ～3.8 m，平均厚度3.3 m，煤層夾1 ～3 層夾矸;煤層傾角2°～8°，平均傾角 5°。

該面整體呈單斜構(gòu)造，有寬緩小褶曲存在;距切眼285～335 m有一褶曲為向斜，軸走向149°～159°，距切眼576～604 m有一褶曲為背斜，軸走向139°～152°，對回采有一定的影響。據(jù)掘進(jìn)資料可知，本工作面掘進(jìn)時(shí)共揭露10條斷層，均為正斷層。

2.2 28202工作面高位抽采巷瓦斯抽放布置

28202工作面頂板巖層走向高抽巷的布置見圖1，從+860東翼膠帶巷以斜坡打到距8#煤層15 m左右的上鄰近層中，然后沿該層平行兩條順槽向開切眼方向布置，掘進(jìn)長度1 395 m。

圖1 頂板高抽巷布置圖

高位抽巷沿7#煤頂板施工(位于28202工作面上方26 m處)，貫穿工作面走向長度，內(nèi)錯(cuò)28202皮帶順槽22 m，巷道采用半圓拱斷面，面積8.89 m2。為保證28202高抽巷能實(shí)現(xiàn)最好抽采效果，高抽巷內(nèi)施工了3個(gè)水平，即距高抽巷口350 m處為第1水平(全長100 m)，距高抽巷口570 m處為第2水平(全長355 m)，距高抽巷口990 m處為第3水平(全長100 m)。高位抽采巷采用封閉巷道埋管方式抽采。最終，28202工作面高抽巷與28202工作面皮帶順槽內(nèi)錯(cuò)距離在25～30 m，巷道與8#煤層的垂直距離在24～45 m，其中，從28202工作面中切眼向外210 m時(shí)，高抽巷與8#煤層的垂直距離24 m→40 m;由此再向外520 m后，高抽巷與8#煤層的垂直距離在40～45 m變化;此后高抽巷與8#煤層的垂直距離40 m→24 m。高抽巷采用錨網(wǎng)支護(hù)，巷道斷面施工圖見圖2。

圖2 高抽巷施工斷面圖

施工后，28202工作面高抽巷內(nèi)不得有任何雜物和導(dǎo)電體，巷口采用兩道密閉墻，密閉墻周邊掏槽，要見硬幫、硬底，中間充填0.5 m黃泥進(jìn)行密閉，以保證不漏氣，見圖3。抽放管口位置距離密閉里墻面不得＜0.5 m，最好 ＞2 m，高度應(yīng)大于巷道高度的2/3。抽放管口應(yīng)設(shè)有不能進(jìn)入雜物的保護(hù)網(wǎng)。如果“高抽巷”內(nèi)淋水較大，則要在密閉底部安設(shè)排水管。

圖3 高抽巷抽放系統(tǒng)設(shè)置示意圖

根據(jù)28202綜采面需要抽放的瓦斯量、管路阻力、預(yù)計(jì)的抽放瓦斯?jié)舛群途卢F(xiàn)場實(shí)際條件，設(shè)計(jì)采用2臺(tái)SK－60型水環(huán)式真空泵，一用一備。正常運(yùn)行時(shí)最大抽放流量60 m3/min，極限真空度14.67 kPa，抽放主干管為254 mm無縫鋼管，布置在開拓巷道內(nèi)，支管采用抗靜電阻燃玻璃鋼管，布置在工作面回風(fēng)巷。

3 高抽巷瓦斯抽放效果分析

當(dāng)28202工作面高位巷完成布置后，截止到5月31日，28202工作面回采推進(jìn)了776 m，期間28202工作面高抽巷瓦斯最大涌出量為25.91 m3/min，最小瓦斯涌出量為 7.3 m3/min，平均瓦斯涌出量為15.62 m3/min，而平均抽采瓦斯量為27.86 m3/min，高抽巷抽采瓦斯量占抽采瓦斯總量的56.1%。而平均絕對瓦斯涌出量為39.32 m3/min，其中風(fēng)排平均瓦斯涌出量為11.46 m3/min，則28202工作面高位巷瓦斯抽放率為:15.62 m3/min ÷39.32 m3/min ×100%=39.7%。

在工作面回采工程中，28202工作面高位巷瓦斯?jié)舛瘸椴沙跗谶_(dá)到21.3%外，推進(jìn)過程中由3.1%逐漸增加至10%左右，瓦斯抽采濃度峰值達(dá)到12.7%。高抽巷的絕對瓦斯涌出量也由初期的8.43 m3/min增加至 20 m3/min左右，峰值為 25.91 m3/min。高抽巷抽放瓦斯波度變化曲線見圖4，瓦斯抽放量變化曲線見圖5。

圖4 28202工作面高抽巷抽放瓦斯?jié)舛茸兓€圖

圖5 28202工作面高抽巷瓦斯抽放量變化曲線圖

4 高抽巷位置優(yōu)化

通過對28202工作面高位巷瓦斯抽放情況的監(jiān)測，高抽巷的抽放沒有達(dá)到預(yù)期效果，高抽巷的瓦斯抽放率達(dá)到39.7%，沒有達(dá)到預(yù)期的50%。而在28202工作面正常回采過程中，高抽巷瓦斯涌出濃度偏低，為7% ～12%。瓦斯?jié)舛鹊?，不利于工作面抽放瓦斯的再利用，需要額外添設(shè)瓦斯提純設(shè)備，這會(huì)降低瓦斯抽放利用的經(jīng)濟(jì)性。瓦斯抽放煤層瓦斯效果差，主要表現(xiàn)在煤層瓦斯抽放率低，而影響煤層瓦斯抽放效果的主要因素除了煤層自身含瓦斯條件外，還取決于煤層透氣性及瓦斯抽放工藝參數(shù)。因此，提高煤層瓦斯抽放效果的技術(shù)途徑主要是從兩個(gè)方面著手考慮:一是改進(jìn)瓦斯抽放工藝參數(shù)，二是增大煤層透氣性。

目前，28202工作面高抽巷處于“抽放量大，瓦斯?jié)舛鹊汀钡臓顟B(tài)。這表明:一方面雖然現(xiàn)有高抽巷位于45 m高度，但其整體高度仍然偏低;二是由于工作面后方，位置較低的高抽巷，并沒有因采空區(qū)瓦斯的三帶分布，減弱工作面風(fēng)流與高抽巷的某種聯(lián)系，導(dǎo)致高抽巷的瓦斯?jié)舛纫廊惠^低。

因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果，建議下一個(gè)工作面高抽巷內(nèi)錯(cuò)工作面的距離應(yīng)進(jìn)一步增大，高抽巷的高度可在現(xiàn)有高度的基礎(chǔ)上稍微增大。經(jīng)過分析，確定下一個(gè)工作面高抽巷應(yīng)內(nèi)錯(cuò)工作面30～50 m、高抽巷的高度為50～60 m。