低位瓦斯抽采巷在某礦15103綜采工作面瓦斯治理中的應(yīng)用

王發(fā)家

(陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)平定裕泰煤業(yè)有限公司)

隨著煤礦機(jī)械化開采程度升高，綜采工作面的瓦斯治理問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)峻[1-4]。現(xiàn)階段，綜采工作面瓦斯治理方式由原來(lái)的單一大風(fēng)量風(fēng)排瓦斯已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椴捎米呦蚋叱橄锍榉培徑鼘油咚筟5-8]、本煤層負(fù)壓抽采[9-12]、采空區(qū)抽采[13-16]、合理配風(fēng)[17]等以抽排為主、風(fēng)排為輔的瓦斯治理措施。綜采工作面在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于各礦井煤層賦存、自燃傾向性不同，選擇的以抽排治理瓦斯的方案也各不相同。某礦15103綜采工作面瓦斯治理采用走向高抽巷抽放鄰近層瓦斯、內(nèi)錯(cuò)尾巷和回風(fēng)順槽風(fēng)排瓦斯的方式，在綜采工作面生產(chǎn)期間內(nèi)錯(cuò)尾巷受壓變形巷道斷面縮小及采空區(qū)通道堵塞造成巷道內(nèi)風(fēng)量減少，瓦斯?jié)舛壬叱^(guò)2.5%。對(duì)此，本研究通過(guò)在綜采工作面瓦斯治理中以低位瓦斯抽采巷替代內(nèi)錯(cuò)尾巷，解決割煤期間的瓦斯涌出問(wèn)題，為低位瓦斯抽采巷應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

某礦井現(xiàn)開采15#煤層，瓦斯等級(jí)為高瓦斯礦井，礦井采用斜井開拓方式，礦井通風(fēng)方式為中央并列式，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。目前采用“一進(jìn)一回”系統(tǒng)，混合提升斜井為進(jìn)風(fēng)井，回風(fēng)斜井、輔助回風(fēng)斜井共同為回風(fēng)井[17]。礦井安裝2臺(tái)FBCDZ-8-No24c型對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率為2×220 kW，1臺(tái)工作，1臺(tái)備用。主要通風(fēng)機(jī)運(yùn)行角度為45°，礦井總?cè)腼L(fēng)為4 730 m3/min，總回風(fēng)量為4 910 m3/min，礦井負(fù)壓為1 823 Pa，為通風(fēng)容易礦井。

礦井布置1個(gè)采煤工作面和3個(gè)掘進(jìn)工作面，即：15103綜采放頂煤工作面，傾斜長(zhǎng)205 m，走向長(zhǎng)600 m，已推進(jìn)240 m。綜采工作面采用U型通風(fēng)方式，另布置1個(gè)低位瓦斯抽采巷和1個(gè)走向高抽巷；掘進(jìn)工作面為15104高抽巷、15104低位瓦斯抽采巷、15104進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)工作面。

礦井建立了1座地面永久瓦斯抽放泵站，分為高、低負(fù)壓系統(tǒng)。低負(fù)壓抽放系統(tǒng)由2臺(tái)2BEC72型水循環(huán)真空泵擔(dān)負(fù)礦井鄰近層瓦斯抽放(1用1備)。主管與分管采用φ630 mm×6 mm螺旋焊縫鋼管經(jīng)采區(qū)回風(fēng)大巷敷設(shè)至集中高抽巷，走向高抽巷支管采用φ630 mm×6 mm螺旋焊縫鋼管。

高負(fù)壓抽放系統(tǒng)由2臺(tái)2BEC50型水循環(huán)真空泵擔(dān)負(fù)本煤層瓦斯抽放任務(wù)(1用1備)。主管與分管采用φ325 mm×6 mm直縫焊接鋼管經(jīng)采區(qū)回風(fēng)大巷至工作面進(jìn)、回風(fēng)順槽，工作面進(jìn)、回風(fēng)順槽支管采用φ273 mm×6 mm直縫焊接鋼管。地面泵站及井下均安設(shè)抽采在線計(jì)量裝置并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。

礦井建立了1個(gè)移動(dòng)抽放泵站，安裝了2臺(tái)2BEC60型水循環(huán)真空泵抽放工作面采空區(qū)瓦斯(2用1備)，抽放管路直徑為800 mm，主管與分管經(jīng)采區(qū)回風(fēng)大巷、回風(fēng)系統(tǒng)巷至低位瓦斯抽采巷。

2 瓦斯抽采方案

該礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為46.23 m3/min，礦井相對(duì)瓦斯涌出量為30.25 m3/t，礦井風(fēng)排瓦斯量為15.09 m3/min；15103綜采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為39.64 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為28.54 m3/t。綜采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量占礦井絕對(duì)瓦斯涌出量的85.74%。礦井瓦斯主要來(lái)源于綜采工作面，綜采工作面瓦斯主要來(lái)源于上鄰近層和本煤層。根據(jù)瓦斯來(lái)源不同，在綜采工作面瓦斯治理上，本研究采用以抽放為主、風(fēng)排為輔的瓦斯綜合治理方案。綜采工作面上鄰近層瓦斯采用走向高抽巷抽放方式治理，走向高抽巷沿綜采工作面走向全長(zhǎng)布置，并與切巷貫通；回采時(shí)，走向高抽巷口施工1道永久閉墻壓管與低負(fù)壓主管路連接進(jìn)行抽放。綜采工作面本煤層瓦斯治理措施主要有3種：①沿工作面走向全長(zhǎng)施工1條低位瓦斯抽采巷，與切巷垂直貫通，回采時(shí)低位瓦斯抽采巷口施工1道永久閉墻壓管與移動(dòng)抽放泵站管路連接進(jìn)行抽放，主要抽放工作面煤壁瓦斯和回風(fēng)上隅角瓦斯；②在工作面進(jìn)、回風(fēng)順槽沿走向方向施工本煤層抽放鉆孔，采用提前預(yù)抽和邊采邊抽方式抽放本煤層瓦斯；③利用工作面回風(fēng)順槽風(fēng)排風(fēng)流瓦斯。

15103綜采工作面布置有1條進(jìn)風(fēng)順槽、1條回風(fēng)順槽、1條走向高抽巷(施工傾斜高抽巷與工作面貫通)以及1條低位瓦斯抽采巷(圖1)。該工作面采用上鄰近層高抽巷瓦斯抽采、本煤層瓦斯抽采鉆孔抽采、低位瓦斯抽采巷抽采的綜合措施治理瓦斯。

圖1 15103綜采工作面布置示意

(1)上鄰近層高抽巷瓦斯抽采。綜采工作面上鄰近抽采采用走向高抽巷抽采方法，走向高抽巷沿綜采工作面走向布置，與回風(fēng)順槽的水平投影距離為63 m，布置于距15#煤層頂板垂高50.6 m的石灰?guī)r中，在工作面切巷后側(cè)10～15 m處沿42°坡度施工1條后高抽巷與走向高抽巷貫通。在綜采工作面開采前，后高抽巷采用不燃性材料進(jìn)行封閉；走向高抽巷口施工1道5 m厚的永久閉墻，閉墻上壓設(shè)1根φ800 mm螺旋焊接管與低負(fù)壓抽采主管路連通進(jìn)行抽放。

(2)本煤層瓦斯抽采鉆孔抽采。綜采工作面傾斜長(zhǎng)度為200 m，在進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽沿工作面走向方向雙側(cè)施工本煤層抽采鉆孔，單個(gè)鉆孔深度為120 m、鉆孔間距為1.5 m，鉆孔內(nèi)全長(zhǎng)留設(shè)篩管，鉆孔采用“2堵1注”封孔方式；進(jìn)、回風(fēng)順槽每6個(gè)鉆孔連入1個(gè)集氣裝置并與順槽支管路連通，支管路與高負(fù)壓主管路連通進(jìn)行抽放。

(3)低位瓦斯抽采巷抽采。為解決綜采工作面本煤層落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出問(wèn)題，在距離工作面15#煤層頂板垂高8 m的灰色細(xì)砂巖中沿工作面走向方向，與回風(fēng)順槽的水平間距25 m的位置施工了1條低位瓦斯抽采巷，巷道采用矩形斷面形式，凈寬2.9 m、凈高2.35 m，巷道全長(zhǎng)605 m與15103切巷垂直貫通，在15103低位瓦斯抽采巷西側(cè)口施工1道厚3 m的永久閉墻，閉墻上壓設(shè)1趟φ800 mm螺旋焊接管，延伸至井下移動(dòng)抽放泵站并連通進(jìn)行抽放。

低位瓦斯抽采巷在層位選擇上考慮采動(dòng)過(guò)程超前支承壓力等因素的影響[11-13]，將低位瓦斯抽采巷布置于垮落帶內(nèi)，當(dāng)工作面采過(guò)低位瓦斯抽采巷后，頂板垮落，頂板巖層及煤層卸壓，利用工作面開采后形成的裂隙，圍巖、 煤層、采空區(qū)遺煤解吸的瓦斯在抽采負(fù)壓作用下向低位瓦斯抽采巷流動(dòng)，通過(guò)低位瓦斯抽采巷將采動(dòng)卸壓瓦斯抽出，達(dá)到有效治理工作面瓦斯的目的。根據(jù)傳統(tǒng)礦壓理論，通過(guò)15103工作面上覆巖層巖性情況進(jìn)行分析，上覆巖層垮落帶高度可按下式計(jì)算[3]：

Hm=100∑M/(4.7∑M+19)±2.2 ，

式中，Hm為垮落帶高度，m；∑M為累計(jì)采厚，m。

經(jīng)計(jì)算，Hm=(10.14±2.2) m。該礦15103工作面開采后理論計(jì)算的頂板垮落帶高度為7.94～12.34 m。

通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證，低位瓦斯抽采巷布置于距15#煤層頂板垂高8 m的灰色細(xì)砂巖中，處于垮落帶高度范圍內(nèi)。

3 瓦斯抽采效果

在綜采工作面推進(jìn)過(guò)程中，從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和抽放數(shù)據(jù)分析，低位瓦斯抽采巷與走向高抽巷在綜采工作面基本頂初次來(lái)壓期間，相互之間有影響，但通過(guò)調(diào)節(jié)低位瓦斯抽采巷、走向高抽巷的負(fù)壓和抽放量，合理解決了該問(wèn)題，有效確保了綜采工作面初次來(lái)壓前、初次來(lái)壓期間、正?；夭善陂g回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛任闯?、回風(fēng)順槽及回風(fēng)混合各處瓦斯?jié)舛炔晃闯蕖?5103綜采工作面瓦斯治理大致可以分為3個(gè)階段，即：2017年9月1日—23日工作面初次來(lái)壓前，2017年9月24—30日工作面初次來(lái)壓階段，2017年10月10日以后工作面進(jìn)入工作面正常回采推進(jìn)階段。

(1)綜采工作面初次來(lái)壓前。綜采工作面初次來(lái)壓前，工作面配風(fēng)量為2 000 m3/min；走向高抽巷由于頂板巖層未大面積垮落故未形成大的裂隙，瓦斯抽放濃度為10%，抽放混合量逐步由130 m3/min調(diào)整為210 m3/min；低位瓦斯抽采巷的抽放濃度為1.1%～2.4%，抽放混合量為345 m3/min；工作面回風(fēng)上隅角的最大瓦斯?jié)舛葹?.5%，平均瓦斯?jié)舛葹?.3%；工作面回風(fēng)順槽風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.4%，平均瓦斯?jié)舛葹?.3%；工作面混合風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.3%，平均瓦斯?jié)舛葹?.2%。

(2)綜采工作面初次來(lái)壓期間。工作面初次來(lái)壓期間，工作面配風(fēng)量為2 000 m3/min，走向高抽巷由于頂板巖層大面積垮落形成了大的裂隙，抽放濃度由10%逐步上升至18.3%，抽放最大混合量為210 m3/min，此時(shí)低位瓦斯抽采巷的抽放濃度約3.2%，最大瓦斯?jié)舛冗_(dá)到4.4%。為解決低位瓦斯抽采巷瓦斯?jié)舛日幱诒ń缦薜膯?wèn)題，走向高抽巷混合量由210 m3/min提高至260m3/min，低位瓦斯抽采巷的混合量由345 m3/min增加至428 m3/min，但低位瓦斯抽采巷的瓦斯?jié)舛热晕幢３衷?.14%左右，故再次將低位瓦斯抽采巷的混合量繼續(xù)提高至650 m3/min左右，經(jīng)過(guò)2個(gè)小班連續(xù)抽放，低位瓦斯抽采巷的瓦斯?jié)舛戎鸩浇档椭?.88%，至2017年10月10日，低位瓦斯抽采巷瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在2%左右。工作面初次來(lái)壓期間，工作面回風(fēng)上隅角最大瓦斯?jié)舛葹?.9%，平均瓦斯?jié)舛葹?.6%；工作面回風(fēng)順槽風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.8%，平均瓦斯?jié)舛葹?.6%；工作面混合風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.7%，平均瓦斯?jié)舛葹?.5%。

(3)綜采工作面正常推進(jìn)期間。工作面正常回采推進(jìn)階段，工作面配風(fēng)量為1 500 m3/min；走向高抽巷瓦斯抽放濃度穩(wěn)定在17%，并逐步上升至26%，瓦斯抽放混合量為170 m3/min；低位瓦斯抽采巷的瓦斯抽放濃度為1.5%，抽放混合量為350 m3/min。工作面正常回采推進(jìn)期間，工作面回風(fēng)上隅角最大瓦斯?jié)舛葹?.6%，平均瓦斯?jié)舛葹?.2%；工作面回風(fēng)順槽風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.5%，平均瓦斯?jié)舛葹?.3%；工作面混合風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛葹?.4%，平均瓦斯?jié)舛葹?.2%。

4 結(jié) 語(yǔ)

為有效治理某礦井15103綜放工作面瓦斯，在已有工作面瓦斯治理措施的基礎(chǔ)上，施工了1條低位瓦斯抽采巷替代了內(nèi)錯(cuò)尾巷，利用井下移動(dòng)抽放泵對(duì)低位瓦斯抽采巷進(jìn)行封閉抽放，通過(guò)將低位瓦斯抽采巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下，有效消除了內(nèi)錯(cuò)尾巷因巷道斷面縮小、與采空區(qū)堵塞造成的風(fēng)量減少、瓦斯?jié)舛壬吆蛢?nèi)錯(cuò)尾巷與切巷塌透造成風(fēng)流短路的安全隱患。該綜采工作面采用走向高抽巷鄰近層抽采+本煤層抽采鉆孔抽采+低位抽采巷抽采的以抽采為主的瓦斯綜合治理方案后，綜采工作面未發(fā)生因瓦斯超限而影響生產(chǎn)的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)。