塔山礦地面垂直鉆孔治理工作面瓦斯技術(shù)與實踐

力尚全 龐葉青

1 礦井和工作面概況

塔山煤礦是同煤集團開采石炭二疊系煤層的第一座特大型現(xiàn)代化礦井。井田走向長度24.3 km，傾向?qū)挾?1.7 km，面積170.9 km2?？刹擅簩?層，分別是山4#、2#、3#、5#、8#層。主采煤層石炭系 3～5#煤層，埋深500 m左右，煤層平均厚度15 m，賦存穩(wěn)定。2009年后，礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果均為高瓦斯礦井。2016年礦井瓦斯等級鑒定為礦井相對瓦斯涌出量2.05 m3/t，絕對瓦斯涌出量97.58 m3/min。塔山煤二盤區(qū)8204工作面煤層平均厚度14.35m，煤層傾角3～5°，工作面長度207 m，走向長度1020 m，采用U型通風(fēng)，日產(chǎn)煤量3.2萬 t。工作面瓦斯含量平均為 2.39 m3/t，最高3.232 m3/t，煤層瓦斯壓力小，最大 0.245 MPa，透氣性差，透氣性系數(shù)為 1.108-1.132 m2/(MPa2?d)，鉆孔抽放流量衰減快，瓦斯流量衰減系數(shù)為 0.572～0.643 d-1。與8204工作面相鄰的8202工作面絕對瓦斯涌出量30～40 m3/min，生產(chǎn)期間工作面上隅角甲烷濃度0.6～0.8%，回風(fēng)流甲烷濃度0.4～0.6%。

2 工作面瓦斯涌出規(guī)律

塔山礦特厚煤層綜放開采，采空區(qū)空間大，遺煤相對較多，頂板不能隨著頂煤的碎裂、采出而及時充分跨落，形成的空洞內(nèi)積聚大量瓦斯。工作面推進過程中頂板跨落，空洞內(nèi)瓦斯瞬時被大量擠出，再加上高強度開采落煤時解吸的瓦斯，表現(xiàn)出“低瓦斯賦存，高瓦斯涌出”的特點[1-3]。利用束管檢測系統(tǒng)在工作面進、回風(fēng)順槽向工作面采空區(qū)埋管，進行氣體連續(xù)取樣監(jiān)測，得出采空區(qū)瓦斯分布狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 8204采空區(qū)內(nèi)甲烷濃度分布曲線

塔山礦嘗試過頂板巷和上隅角埋管抽放采空區(qū)瓦斯的治理方法，但無法解決頂板周期來壓期間上隅角瓦斯超限問題。通過對大量觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析得出，塔山礦特厚煤層工作面開采過程中，隨著采空區(qū)頂板周期來壓的變化，工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓卣鞅憩F(xiàn)為“速升－快減－緩降”三階段過程[10-14]，其中速升時間持續(xù)短，瓦斯?jié)舛妊杆龠_到峰值，峰值出現(xiàn)時間晚于頂板跨落時間。如圖2所示。

圖2 頂板運動時瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律曲線

特厚煤層綜放工作面頂板塌落造成采空區(qū)高濃度瓦斯在瞬間涌向工作面，造成瓦斯嚴(yán)重超限[4-9]。工作面瓦斯源的測試分析得出：超過90%的瓦斯來源于采空區(qū)，控制采空區(qū)瓦斯向工作面的大量涌出是瓦斯治理的關(guān)鍵。

3 地面垂直鉆孔抽放瓦斯實踐

3.1 地面垂鉆孔抽放瓦斯方案

塔山礦從礦井投產(chǎn)后，就不斷探索研究工作面瓦斯治理新技術(shù)，鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯效果不理想，頂板抽放巷大流量抽放、截留上隅角后部采空區(qū)瓦斯的方法取得良好效果，但是在應(yīng)用過程中依然存在不足，通過理論研究和分析，依據(jù)頂板抽放巷的技術(shù)原理，研究制定了地面大直徑垂直鉆孔替代頂板抽放巷的瓦斯治理技術(shù)方案。[15]

3.2 地面垂直鉆孔設(shè)計

首先在8204工作面進行地面垂直鉆孔抽放瓦斯的工程試驗，沿工作面走向320 m范圍內(nèi)按孔距50米布置7個垂直鉆孔，首孔距工作面切眼32 m，鉆孔垂直位置內(nèi)錯5204巷15～30 m；鉆孔深約500 m，孔底距3～5#煤層底板10 m。鉆孔結(jié)構(gòu)：地表下120 m孔徑425 mm，下管徑355 mm護孔鋼管，地表下120 m至終孔點孔徑311 mm，為裸孔。鉆孔參數(shù)見表1。

表1 地面垂直鉆孔布置參數(shù)表

3.3 瓦斯抽放系統(tǒng)及運行情況

瓦斯抽放泵站布置在塔山礦二風(fēng)井地面，抽放泵選擇兩臺2BEC120型抽放泵，額定流量為1275 m3/min，地面垂直鉆孔抽放主管路為DN900鋼管，主管路通過DN300支管路與鉆孔套管連接。

圖4 地面垂直鉆孔平面示意圖

表2 鉆孔抽放系統(tǒng)運行情況

4 瓦斯抽放治理效果與分析

選取8204工作面開采一個月期間推進位置0～

142 m、對應(yīng)1#鉆孔和2#鉆孔的瓦斯抽放數(shù)據(jù)，得出瓦斯?jié)舛鹊淖兓€如圖5所示。

圖5 1#、2#垂直鉆孔抽放瓦斯量曲線

通過分析可知：

1）隨著工作面開采逐漸接近地面垂直鉆孔，鉆孔超前工作面距離15 m后，鉆孔抽放甲烷濃度由1%開始快速上升，當(dāng)工作面煤壁對應(yīng)鉆孔位置時，甲烷濃度達到28.7%，圖中①階段。之后甲烷濃度逐漸降低，當(dāng)鉆孔遠離工作面煤壁40 m時，濃度降低至5%左右，圖中②階段。

2）地面鉆孔抽放瓦斯可分為三個階段。第一階段：鉆孔超前工作面距離大于15 m，抽放未受采動影響煤體瓦斯，由于透氣性差，甲烷濃度較低，約1%；第二階段，鉆孔超前工作面距離小于15 m后，甲烷濃度隨工作面推進快速上升，表明抽到煤巖體采動裂隙區(qū)瓦斯；第三階段：工作面推過鉆孔后，抽放采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯并維持較長的推進距離，距離超過40 m后，濃度降低至約5%。鉆孔抽放瓦斯第三階段后期，相鄰的下一個鉆孔已經(jīng)開始接替到位。

3）地面大直徑垂直鉆孔大流量抽放特厚煤層綜放工作面瓦斯技術(shù)，提高了瓦斯抽采率，改變了采空區(qū)瓦斯流場，控制了工作面瓦斯的瞬時大量涌出，大幅度降低了回風(fēng)及上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

塔山礦采用地面垂直鉆孔抽放8204綜放工作面瓦斯期間，工作面瓦斯涌出量顯著降低，消除了由于頂板塌落產(chǎn)生的采空區(qū)瓦斯瞬間大量涌出事故，上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.4%～0.8%之間，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.2%～0.4%之間。目前，地面大直徑垂直鉆孔抽放瓦斯治理技術(shù)已經(jīng)在塔山礦8201、8101、8203得到推廣應(yīng)用，且效果良好。

5 結(jié)論

1）塔山礦低瓦斯含量、低透氣性煤層，采用地面垂直鉆孔抽放超前綜放工作面煤巖體采動裂隙區(qū)瓦斯，和工作面上隅角后上方采空區(qū)瓦斯，抽放甲烷濃度最高可達28.7%，鉆孔位于工作面煤壁前后15米范圍抽放效果最好。

2）特厚煤層綜放工作面，采用地面大直徑垂直鉆孔抽放瓦斯治理技術(shù)，避免了工作面高強度開采與瓦斯治理工程在時間和空間上的矛盾，改善礦井安全生產(chǎn)環(huán)境，是工作面瓦斯治理新的技術(shù)途徑。

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