西曲礦南二盤(pán)區(qū)瓦斯綜合治理技術(shù)研究

劉德亮

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 西曲礦，山西 古交 030200)

近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，回采工作面采高大、走向長(zhǎng)，因而其采空區(qū)的面積大，常造成回采工作面和局部(尤其是上隅角)瓦斯超限[1]，這就給瓦斯治理提出了更高的要求。本文將針對(duì)西曲礦南二盤(pán)區(qū)19202工作面的地質(zhì)條件，提出風(fēng)排與抽放相結(jié)合的綜合治理技術(shù)，以期解決其瓦斯高、治理難的問(wèn)題。

1 19202工作面地質(zhì)條件

19202工作面副巷總長(zhǎng)度為1 200 m，巷道形狀為矩形，寬為4.2 m，凈高為2.8 m，凈斷面積為11.76 m2，支護(hù)形式為錨棚支護(hù)巷道。正巷總長(zhǎng)度為1 270 m，工作面走向長(zhǎng)約為1 200 m，傾向長(zhǎng)為220 m. 工作面通風(fēng)方式為“U”型通風(fēng)，副巷進(jìn)風(fēng)，正巷回風(fēng)。19202工作面巷道布置平面圖見(jiàn)圖1,19201正巷臨時(shí)作為19202的瓦斯治理巷。

9#煤層厚度穩(wěn)定，煤厚1.85～2.35 m，平均2.20 m，煤層整體傾向西南，傾角3°～6°，一般為5°. 9#煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，中下部普遍含有一層泥巖夾石，夾石厚度變化不大；上部普遍含有一層泥巖偽頂，直接頂為2.30 m的砂質(zhì)泥巖，直接底為3.76 m的細(xì)粒砂巖。

根據(jù)西曲礦煤層瓦斯基本參數(shù)測(cè)定報(bào)告，南二9#煤層瓦斯壓力為0.3～0.53 MPa，煤層瓦斯含量為9.86～11.58 m3/t，煤中殘存瓦斯含量為2.65 m3/t，煤的孔隙率為3.77%～3.80%，煤層透氣性系數(shù)為0.109～0.112 m2/(MPa2·d)，鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)為0.060 5～0.069 7 d-1. 根據(jù)已采的上覆煤層18201、18202、18203工作面和19202副巷掘進(jìn)時(shí)的瓦斯涌出量情況，19202工作面在回采時(shí)的絕對(duì)瓦斯涌出量將達(dá)到8.14 m3/min，按日產(chǎn)量2 500 t計(jì)算，該工作面相對(duì)瓦斯涌出量為4.92 m3/t.

2 瓦斯抽放技術(shù)

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，綜采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到5 m3/min，必須進(jìn)行瓦斯抽放。因此，在回采19202工作面前，須對(duì)本煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。

圖1 19202工作面巷道布置平面圖

2.1 本煤層瓦斯抽放技術(shù)

本煤層瓦斯抽放孔布置情況如下：

1) 鉆孔角度。根據(jù)工作面煤層傾角3°～6°，平均5°，鉆孔傾角根據(jù)巷道底板等高線計(jì)算確定。

2) 鉆孔長(zhǎng)度。工作面傾向長(zhǎng)220 m，為了提高抽放率從多打孔，加深鉆孔方面考慮[2]，在工作面副巷距切眼20 m處沿傾向方向施工順層鉆孔，鉆孔間距為3 m，孔深為50 m、200 m，孔徑為113 mm.

3) 鉆孔數(shù)量。工作面副巷長(zhǎng)1 200 m，在距切眼口20 m處開(kāi)始施工鉆孔，設(shè)計(jì)施工鉆孔376個(gè)。

抽放效果分析：抽放本煤層瓦斯期間，純瓦斯量為3.3～3.7 m3/min，平均為3.5 m3/min，瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.6%.

2.2 采空區(qū)瓦斯抽放技術(shù)

隨著19202工作面的回采，頂板經(jīng)過(guò)初次來(lái)壓、周期來(lái)壓，采空區(qū)內(nèi)瓦斯發(fā)生運(yùn)移，掌握采空區(qū)內(nèi)瓦斯的濃度分布情況，以達(dá)到高效抽放采空區(qū)瓦斯的目的。采用計(jì)算流體力學(xué)模擬軟件FLUENT，模擬采空區(qū)距工作面不同距離下瓦斯的分布情況。邊界條件的確定，主要考慮進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速與出口壓能，19202工作面正巷與副巷的邊界設(shè)置為VELOCITY-INLET，出風(fēng)邊界設(shè)置為自由出流OUTFLOW，邊界條件數(shù)據(jù)取自于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，工作面入口風(fēng)速為1.5 m/s，出口壓能90 kPa. 采空區(qū)看作多孔介質(zhì)[3-5]，部分參數(shù)賦值見(jiàn)表1.

表1 部分參數(shù)賦值表

計(jì)算收斂后，為了便于分析，將采空區(qū)沿工作面推進(jìn)方向不同距離時(shí)瓦斯?jié)舛确植记闆r制表并繪圖，見(jiàn)表2，圖2.由圖2可知，離工作面越遠(yuǎn)，采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍酱?。?～50 m內(nèi)，瓦斯?jié)舛容^低，在5%以下。在50～250 m內(nèi)，瓦斯?jié)舛仍黾虞^大，說(shuō)明此區(qū)域?yàn)橥咚垢患瘏^(qū)。在>250 m，瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定。此數(shù)據(jù)對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯的高效抽放具有重要的參考價(jià)值。

表2 沿工作面推進(jìn)方向采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛缺?/p>

圖2 瓦斯?jié)舛确植紙D

采空區(qū)內(nèi)瓦斯抽放方案及效果分析：鉆孔從19202正巷煤柱幫向采空區(qū)施工，鉆孔間距每隔10 m一個(gè)，當(dāng)工作面推進(jìn)50 m左右時(shí)，開(kāi)始抽放，此時(shí)抽放的效果最佳。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)泵站數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析，抽放瓦斯?jié)舛仍?.3%～11.7%，平均濃度為8.6%.

2.3 裂隙帶瓦斯抽放技術(shù)

19202工作面在推進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)初期來(lái)壓、周期來(lái)壓，上覆巖層垮落，形成“三帶”結(jié)構(gòu)，裂隙帶內(nèi)由于裂隙發(fā)育，瓦斯極易在此區(qū)域運(yùn)移并聚集。因此，通過(guò)確定裂隙帶高度與鉆孔角度及深度，可以高效抽放裂隙帶內(nèi)的瓦斯。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以得出，自頂板向上約52.6 m為裂隙帶。

為了驗(yàn)證裂隙帶內(nèi)瓦斯?jié)舛雀撸ㄟ^(guò)數(shù)值模擬得出采空區(qū)沿工作面頂板垂直方向瓦斯?jié)舛确植记闆r，見(jiàn)表3. 由表3可以得出，在5～15 m內(nèi)，瓦斯?jié)舛容^低，在5%以下；在20～55 m內(nèi)，瓦斯?jié)舛瓤焖僭龈撸?0～55 m之后，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最大值，且趨于穩(wěn)定，此區(qū)域受采動(dòng)與裂隙發(fā)育的影響，瓦斯運(yùn)移并積聚，因此，濃度較高；在55～70 m內(nèi)，瓦斯?jié)舛扔种饾u降低，此區(qū)域由于屬于彎曲下沉帶，裂隙不發(fā)育，因此瓦斯?jié)舛鹊汀?/p>

裂隙帶瓦斯抽放方案及效果分析：綜上分析，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件與經(jīng)驗(yàn)，確定其鉆孔角度為45°，鉆孔深為71.7 m. 鉆孔從19202正巷煤柱幫向采空區(qū)頂板沿45°施工，每隔10 m一個(gè)。抽放期間，通過(guò)監(jiān)測(cè)并分析現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，抽放瓦斯?jié)舛仍?.8%～13.2%，平均濃度為9.8%.

表3 沿工作面頂板垂直方向采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛缺?/p>

3 風(fēng)排瓦斯技術(shù)

工作面回采期間，由于采空區(qū)漏風(fēng)、工作面風(fēng)量不足等原因會(huì)造成上隅角瓦斯超限報(bào)警。因此，需要采取相應(yīng)的措施，確保瓦斯?jié)舛冉翟谠试S范圍內(nèi)。采用風(fēng)排的方法稀釋上隅角瓦斯?jié)舛龋唧w技術(shù)方案如下：

1) 利用風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)稀釋上隅角瓦斯。該方法是最早使用的一種簡(jiǎn)便方法，用一塊大小適當(dāng)?shù)娘L(fēng)筒布在上隅角上風(fēng)側(cè)(排尾架間)遮擋采面風(fēng)流，使其改變流動(dòng)方向，將風(fēng)引至上隅角，吹散稀釋上隅角積聚的瓦斯。

2) 增大回采工作面風(fēng)量。工作面風(fēng)流對(duì)上隅角渦流區(qū)積聚瓦斯的驅(qū)散，主要靠工作面風(fēng)流與上隅角瓦斯積聚區(qū)間的空氣的對(duì)流和主風(fēng)流的擴(kuò)散作用。根據(jù)工作面涌出量，在風(fēng)速不超、防塵效果好的情況下，增大工作面配風(fēng)量。

3) 在上、下隅角打封堵墻封堵采空區(qū)瓦斯。下隅角端頭封堵是防止19202副巷進(jìn)風(fēng)一部分風(fēng)流吹入采空區(qū)，吹入采空區(qū)的風(fēng)流大到一定程度會(huì)將上隅角的瓦斯吹出，導(dǎo)致上隅角瓦斯超限；另一方面采空區(qū)通風(fēng)可能導(dǎo)致煤層自燃，采空區(qū)通風(fēng)會(huì)減少采煤工作面供風(fēng)量。上隅角封堵是為了與落山隔開(kāi)，落山懸頂面積大時(shí)會(huì)積存瓦斯。每班指定2～3人在上隅角打封堵墻封堵上隅角涌出的瓦斯，施工前須檢查風(fēng)流中的瓦斯，瓦斯?jié)舛刃∮?.5%時(shí)方可施工，并對(duì)上隅角20 m范圍內(nèi)灑水沖塵，開(kāi)啟噴霧，防止碰撞、摩擦火花。封堵墻施工要求：a) 用帆布風(fēng)筒壘成。b) 封堵墻要和切頂線對(duì)齊，必須接頂接底。c) 封堵物之間嚴(yán)禁出現(xiàn)較大縫隙(>20 mm)，以防采空區(qū)瓦斯大量涌出。d) 打封堵墻時(shí)須2～3人配合作業(yè)，同時(shí)密切注意頂板情況以防掉矸傷人。e) 每割完一刀煤移架后，及時(shí)調(diào)整封堵墻的位置。

4) 打切頂孔，強(qiáng)制放頂。上隅角、下隅角頂板、側(cè)幫錨桿托盤(pán)及時(shí)拆除，側(cè)幫金屬網(wǎng)及時(shí)剪斷，以便移架時(shí)頂板及時(shí)垮落，對(duì)19202工作面正巷靠上隅角位置按照設(shè)計(jì)打切頂孔，利用頂板壓力，當(dāng)移走支架后，上隅角頂板會(huì)緊隨支架垮落，減少上隅角瓦斯積存空間，這樣就可以利用回風(fēng)處自然風(fēng)壓來(lái)降低上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

5) 利用瓦斯稀釋器處理上隅角瓦斯。在采煤工作面上風(fēng)口，按瓦斯稀釋器出風(fēng)口距回風(fēng)巷上煤幫煤壁2.0～2.5 m，切頂線1.5～2.0 m、頂板0.8～1.0 m，與工作面夾角45°，仰角5°，吊掛瓦斯稀釋器，對(duì)準(zhǔn)上隅角瓦斯積聚地點(diǎn)。

4 瓦斯綜合治理效果分析

為了檢驗(yàn)在19202工作面采用風(fēng)排與抽放相結(jié)合的瓦斯綜合治理技術(shù)的可行性，布置3個(gè)瓦斯傳感器(采煤工作面在上隅角設(shè)置甲烷傳感器T0，工作面設(shè)置甲烷傳感器T1，工作面回風(fēng)巷設(shè)置甲烷傳感器T2)，吊掛位置見(jiàn)圖3.

圖3 甲烷傳感器吊掛位置圖

按照每班至少監(jiān)測(cè)3次數(shù)據(jù)的要求，把每月的數(shù)據(jù)匯總之后，將3個(gè)測(cè)點(diǎn)的月均值繪成折線圖，見(jiàn)圖4.

圖4 測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛惹€圖

由圖4可以看出，采用風(fēng)排與抽放技術(shù)之后，上隅角瓦斯?jié)舛鹊玫胶芎玫目刂?，瓦斯?jié)舛然窘翟?.5%之下；工作面瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.4%以下，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍?.3%左右。各傳感器的數(shù)據(jù)均在報(bào)警臨界值內(nèi)，這就說(shuō)明，采用以上技術(shù)后，瓦斯?jié)舛鹊玫搅撕芎玫目刂?，?shí)現(xiàn)了19202工作面的安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

本文主要針對(duì)西曲礦南二盤(pán)區(qū)19202工作面瓦斯難治理的問(wèn)題，提出了風(fēng)排與抽放相結(jié)合的綜合治理技術(shù)方案，首先在19202工作面回采前，對(duì)本煤層進(jìn)行預(yù)抽瓦斯，使其絕對(duì)瓦斯涌出量降到5 m3/min以下；然后在回采工作面時(shí)，利用風(fēng)排與抽放采空區(qū)、裂隙帶瓦斯的方法控制瓦斯?jié)舛?，最終使得上隅角、工作面、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉档狡渑R界報(bào)警點(diǎn)以下，滿足了工作面安全高效生產(chǎn)的需求。此技術(shù)對(duì)西曲礦南二盤(pán)區(qū)其他工作面的瓦斯治理有重要的借鑒意義。