西曲礦19201工作面瓦斯綜合治理措施研究

李少偉

(山西朔州平魯區(qū)茂華東易煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036800)

影響礦井安全生產(chǎn)的因素很多,比如頂板、水、火、粉塵、瓦斯等,而在眾多安全因素中,瓦斯爆炸對礦井的危害最大,其爆炸產(chǎn)生的高溫高壓以及沖擊波對作業(yè)人員及礦井巷道和設(shè)備損毀極大,一直以來都制約著礦井的安全生產(chǎn)。近年來很多學者從多方面對瓦斯治理問題進行了深入研究,李宏、劉明舉等[1],應用頂板走向長鉆孔中位鉆孔和下臨近層底板定向長鉆孔等瓦斯抽采措施,對回采面瓦斯進行了多源頭治理,解決了大采高厚煤層工作面回采期間瓦斯超限難題;左云飛[2]通過保護層開采結(jié)合卸壓瓦斯強化抽放技術(shù)能夠消除煤層的煤與瓦斯突出的危險性,大大降低了煤層的瓦斯含量;申琢[3]通過實施頂板巖石水平長距離鉆孔瓦斯抽放實現(xiàn)了安全高效回采,徹底解決了近距離保護層開采瓦斯超限等問題。本文主要通過本煤層順層長鉆孔與上隅角埋管技術(shù)來進行瓦斯治理,為今后瓦斯治理技術(shù)提供一定的借鑒和指導。

1 工作面概況

19201工作面地質(zhì)構(gòu)造條件中等,根據(jù)掘進資料和上覆8#煤回采資料分析,預計工作面回采中會受到8條落差為0.8 m～3.5 m的正斷層影響,受斷層影響,構(gòu)造附近頂板節(jié)理、裂隙發(fā)育。根據(jù)地質(zhì)資料,該工作面上覆18202、18203采空區(qū),層間距為10 m左右,切眼長度220 m,巷道形狀為矩形,巷道寬為5.8 m,高為2.8 m,凈斷面積為16.24 m2,支護形式為錨桿+鋼帶+點柱。

根據(jù)對煤層瓦斯賦存規(guī)律分析,19201工作面瓦斯來源包括開采層瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出兩部分。回采工作面瓦斯涌出量分源預測如表1所示[4-5]。

表1 工作面瓦斯涌出分源預測表Table 1 Prediction of gas emission by source on the working face

經(jīng)計算,瓦斯涌出量結(jié)果如表2所示。

表2 瓦斯涌出量匯總表Table 2 Gas emission rate

2 瓦斯抽采技術(shù)及抽采系統(tǒng)

2.1 瓦斯抽采的必要性

1)由于用通風方法難以解決19201工作面回采期間的絕對瓦斯涌出量以及預防回采期間上隅角瓦斯較大給正常生產(chǎn)帶來困難[6],通過施工本煤層鉆孔提前預抽來降低煤層瓦斯含量,所以對19201工作面本煤層預抽是必要的。

2)由于19201工作面回采時使用全負壓通風,19201工作面回采時相鄰的19202工作面采空區(qū)和上覆8#煤采空區(qū)通過裂隙帶向19201工作面采空區(qū)涌入大量瓦斯,造成上隅角瓦斯較大,難以維持工作面正常生產(chǎn),所以19201工作面回采時對采空區(qū)抽采是必要的。

2.2 瓦斯抽采技術(shù)

1)19201工作面設(shè)計采用本煤層采前預抽和邊采邊抽、采空區(qū)瓦斯抽采相結(jié)合的綜合瓦斯抽采方法。采煤工作面采前預抽和邊采邊抽瓦斯方法為:在回采工作面皮帶巷布置平行順層鉆孔預抽煤層瓦斯,達標后再邊采邊抽,即在工作面皮帶巷內(nèi)沿煤層傾向布置平行于工作面的抽采鉆孔,對工作面瓦斯進行預抽。

本煤層鉆孔設(shè)計: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)巷道底板等高線計算確定。②鉆孔長度:工作面傾向長220 m,為了提高抽采率從多打孔、加深鉆孔方面考慮,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5 m,孔深為200 m,孔徑為113 mm。③鉆孔數(shù)量:按照設(shè)計停采線工作面正巷長759 m,在距切眼口20 m處開始施工鉆孔,設(shè)計施工鉆孔149個,本煤層鉆孔總進尺為29 800 m。所有鉆孔必須編號掛牌。本煤層瓦斯抽采管路如圖1所示。

圖1 本煤層鉆孔布置及采空區(qū)埋管Fig.1 Borehole layout in the current coal seam and buried pipelines in goaf

2)采空區(qū)瓦斯抽采。19201工作面開采后,受采動影響,煤層頂、底板變形產(chǎn)生裂隙導致鄰近采空區(qū)瓦斯涌入19201工作面,經(jīng)風流稀釋后排出,采空區(qū)涌出瓦斯量容易造成上隅角瓦斯較大,給安全生產(chǎn)帶來困難,所以需要進行采空區(qū)抽采[7-8]。

3)19201工作面采空區(qū)抽采采用上隅角埋管抽采瓦斯。

上隅角瓦斯抽采設(shè)計:

從19201正巷保險幫距上隅角30 m處往瓦斯抽采泵站敷設(shè)一趟Φ325不銹鋼瓦斯抽采管路對上隅角進行瓦斯抽采,抽采管路末端至上隅角采用伸縮風筒連接,上隅角風筒末端連接采空區(qū)隔離設(shè)施上的PVC管,來抽取上隅角瓦斯。伸縮風筒吊掛采用鋼絞線吊掛,風筒吊掛必須平直整齊。隨著工作面的推進,及時拆除不銹鋼抽采管路,延伸伸縮風筒,確保吊掛在上隅角的伸縮風筒滿足抽采需要。

液壓支架與煤壁之間的采空區(qū)隔離設(shè)施用編織袋裝不燃性材料制作,支架每往前推進0.8 m,做一道隔離設(shè)施,隔離設(shè)施里距頂板300 mm距煤幫200 mm壓直徑325 mmPVC管,PVC管外漏長度為300 mm,在管口加設(shè)過濾網(wǎng),做的隔離設(shè)施要保證嚴密不漏風。

2.3 鉆孔封孔工藝

本煤層抽采鉆孔封孔采用3根4 m的2寸PVC管作為封孔器,封孔器前后兩端采用麻袋+聚胺脂卷纏法封至少800 mm,中間部分采用注漿泵壓注聚胺脂封死,封孔器伸出煤壁200 mm，具體如圖2所示。

圖2 本煤層鉆孔封孔示意圖Fig.2 Illustration of boreholes drilling and sealing in the current coal seam

2.4 抽采系統(tǒng)

1)抽采管線敷設(shè)

高負壓系統(tǒng)管路鋪設(shè):(本煤層)

正壓側(cè):南二瓦斯抽采泵站(DN325不銹鋼抽采管)→南二瓦斯抽采專用通道斜坡(DN325不銹鋼抽采管)→南二瓦斯抽采專用通道聯(lián)絡(luò)巷(DN325不銹鋼抽采管)→南翼總回風巷(DN325不銹鋼抽采管)——南坪山回風井底

負壓側(cè):19201正巷(DN325不銹鋼抽采管)→回風聯(lián)絡(luò)巷(DN325不銹鋼抽采管) →19201皮帶抬頭巷(DN325不銹鋼抽采管)→南二下組煤回風巷(DN325不銹鋼抽采管) →南二瓦斯抽放泵站(DN325不銹鋼抽采管)

低負壓系統(tǒng)管路鋪設(shè):(上隅角)

正壓側(cè):南二瓦斯抽采泵站(DN325不銹鋼抽采管)→南二瓦斯抽采專用通道斜坡半坡(DN325不銹鋼抽采管)

負壓側(cè):19201正巷(DN325不銹鋼抽采管)→19201皮帶抬頭巷(DN325不銹鋼抽采管)→南二下組煤回風巷(DN325不銹鋼抽采管)→南二瓦斯抽放泵站(DN325不銹鋼抽采管)

2)瓦斯抽采能力。19201工作面利用南二瓦斯抽采泵站進行瓦斯抽采,南二瓦斯抽采泵站內(nèi)安設(shè)2臺水環(huán)式真空泵,均為2BEC-42型,電機功率為200 kW,最大吸氣量為150 m3/min,該泵站經(jīng)計算能夠滿足瓦斯抽采要求。

3 抽采效果分析

3.1 風排瓦斯量變化

對工作面開采中安裝抽放管路前后的風排瓦斯量進行統(tǒng)計,其結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,在埋管前的工作面開采一定距離之后,工作面的瓦斯涌出量變化幅度已基本平穩(wěn),大致在3.5 m3/min左右;在埋管抽放瓦斯后,由于采空區(qū)的瓦斯通過抽放管路排出,逸散到工作面的瓦斯含量大為減少,因此埋管后的風排瓦斯量減少為1.4 m3/min左右,瓦斯治理效果明顯,并達到了預期目標。

圖3 埋管前后的風排瓦斯量Fig.3 Gas emission rate by ventilation before and after burying pipelines

3.2 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?/h3>

將埋管前后上隅角瓦斯的濃度進行分析對比,結(jié)果如圖4所示。

圖4 上隅角瓦斯?jié)舛嚷窆芮昂髮Ρ菷ig.4 Gas concentration in the upper corner before and after burying pipelines

由圖4可以看出,在埋設(shè)抽放管路前,上隅角的瓦斯?jié)舛茸兓容^大,分析其原因為在19201工作面開采過程中,采空區(qū)的瓦斯涌入為工作面瓦斯的主要來源,隨著工作面的開采,后方暴露的采空區(qū)面積增大,因此造成瓦斯?jié)舛容^高,且因為工作面的落煤和開采過程中不同區(qū)段煤體的非均質(zhì)特性差異,造成在開采過程中的瓦斯?jié)舛容^高和變化不均勻的現(xiàn)象。在埋設(shè)抽放管路之后,上隅角的瓦斯?jié)舛扔休^大幅度的下降,從埋設(shè)前瓦斯?jié)舛鹊?.39%～1.20%到埋設(shè)后瓦斯?jié)舛葹?.23%～0.52%,瓦斯平均濃度下降近53%,有效處理了上隅角的瓦斯超限問題,從而為工作面的安全生產(chǎn)提供了保障。

綜上可知,本煤層順層長鉆孔+上隅角埋管瓦斯抽采技術(shù)對瓦斯治理效果顯著,且此方法可操作性強,有效治理了工作面及上隅角的瓦斯超限問題,并對今后瓦斯治理技術(shù)提供了一定的借鑒。

4 結(jié)論

1)19201工作面回采期間本煤層及上隅角瓦斯含量較大,因此進行瓦斯抽采有其必要性。

2)在回采工作面皮帶巷超前20 m布置平行順層鉆孔預抽煤層瓦斯,采用PVC管作為鉆孔封孔器,同時上隅角瓦斯通過采空區(qū)埋管進行抽采,從而確立了19201工作面的瓦斯抽采技術(shù)。

3)通過抽放管路進行采空區(qū)的瓦斯抽放之后,回風大巷的風排瓦斯含量和上隅角的瓦斯?jié)舛让黠@下降,工作面生產(chǎn)的安全性得到保障。