高瓦斯煤層工作面瓦斯綜合治理技術(shù)及應(yīng)用

張 元

(山西焦煤霍州煤電 沁安煤電有限責(zé)任公司，山西 長治 046500)

某礦目前配采的15號(hào)煤層，煤厚1.29～5.63 m，平均3.72 m，一般在3.00 m以上，煤層傾角0～7°。由煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)的測(cè)定可知，煤層真密度1.85 t/m3，視密度1.68 t/m3，孔隙率9.19%，容重16.8 kN/m3，△P為32.70，f值為1.40，瓦斯壓力測(cè)定值在0.1～0.52 MPa，瓦斯壓力反算的瓦斯含量為4.3～13.9 m3/t，鉆孔衰減系數(shù)0.090 2 d-1，煤層透氣性系數(shù)0.180 m2/ (MPa2·d)。15號(hào)煤層采用綜合機(jī)械化大采高，掘進(jìn)采用連采連掘工藝。為了保證礦井的正常采掘銜接，必須對(duì)煤層進(jìn)行瓦斯抽采和治理。

1 工作面概況

XV1302工作面位于15號(hào)煤層北翼一盤區(qū)，工作面寬度為200 m，采用“兩進(jìn)兩回”四巷布置，膠帶巷和輔助巷進(jìn)風(fēng)，輔運(yùn)巷和輔助巷回風(fēng)，工作面巷道均沿15號(hào)煤層頂板布置，均為全煤巷道。掘進(jìn)時(shí)采用“一進(jìn)一回”U型通風(fēng)，聯(lián)絡(luò)橫川的間距為60 m，采用分區(qū)式通風(fēng)，機(jī)械抽出式通風(fēng)方法(圖1)。

圖1 工作面通風(fēng)示意

2 工作面瓦斯綜合治理方案

對(duì)于高瓦斯煤層，瓦斯的治理應(yīng)采取多種方法相結(jié)合的方式。在時(shí)間和空間上構(gòu)成一個(gè)完整的治理體系。首先在未卸壓區(qū)域進(jìn)行預(yù)抽(包括回采和掘進(jìn))，隨后在回采和掘進(jìn)過程中實(shí)現(xiàn)邊采(掘)邊抽；同時(shí)可在上區(qū)段巷道中布置千米鉆孔抽采，用來掩護(hù)下區(qū)段巷道的掘進(jìn)，兩者相互結(jié)合[1]。

瓦斯治理除了抽采外還有通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化等，它們都是瓦斯綜合治理重要組成部分。通風(fēng)系統(tǒng)和抽采系統(tǒng)也是相互關(guān)聯(lián)的，因此瓦斯治理要統(tǒng)籌全局，且不可盲目治理瓦斯而忽略其對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的影響[2]。

因15號(hào)煤層瓦斯含量較大，前期已施工了地面鉆井抽采瓦斯，但回采工作面瓦斯涌出量最高仍有22.60 m3/min。所以對(duì)本煤層工作面瓦斯的治理，還應(yīng)采用多種方式綜合治理的模式。

3 工作面瓦斯綜合治理技術(shù)

3.1 掘進(jìn)工作面的瓦斯治理

為解決采掘接繼困難問題，需提高掘進(jìn)速度，可在掘進(jìn)面采用順層長鉆孔預(yù)抽，輔以千米鉆機(jī)預(yù)抽掘進(jìn)面瓦斯方案。

采用煤巷掘進(jìn)工作面順層長鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯方案時(shí)，開孔位置可以在迎頭或巷道兩幫的鉆場內(nèi)，也可以同時(shí)開孔。具體如下：

掘進(jìn)工作面鉆場的間距為40 m，鉆場平行布置，每個(gè)鉆場布置2排，每排施工21個(gè)鉆孔，總共施工42個(gè)鉆孔。采用液壓鉆機(jī)施工D89 mm，孔深60 m鉆孔，鉆孔控制距離為15 m。預(yù)抽孔的封孔距離為8 m。鉆孔施工完成后把抽采管路接入礦井已有的抽采管路系統(tǒng)，具體布置如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)工作面順層長鉆孔布置示意(m)

采用千米鉆機(jī)預(yù)抽時(shí)，根據(jù)15號(hào)煤層的情況，斷面5 m×3.5 m共設(shè)計(jì)2個(gè)鉆孔，設(shè)計(jì)200～300 m，第一個(gè)鉆孔主孔深度250 m，第二個(gè)鉆孔主孔深度300 m。

3.2 回采前煤層預(yù)抽瓦斯

從15號(hào)煤層目前的抽采效果可知，屬于可以預(yù)抽煤層。在開采前期，應(yīng)提前預(yù)抽。采用的治理措施為，在回風(fēng)巷施工順層鉆孔抽采本煤層瓦斯；在局部空白帶，用普通鉆機(jī)補(bǔ)充鉆孔，保證在大面積預(yù)抽區(qū)域無死角地帶以及千米鉆機(jī)施工長鉆孔預(yù)抽瓦斯。具體如下：

施工地點(diǎn)為回風(fēng)巷道，方位角垂直于煤壁方向，鉆孔孔徑為94 mm。鉆孔間距為3～5 m，孔深180 m；所有鉆孔與巷運(yùn)呈90°夾角布置。終孔直徑d0=94 mm。負(fù)壓范圍為13～20 kPa，封孔材料選用水泥砂漿。

在局部空白帶，可采用普通鉆機(jī)補(bǔ)充鉆孔，保證在大面積預(yù)抽區(qū)域無死角地帶。通過抽采瓦斯的考察效果，來進(jìn)行區(qū)域大面積增補(bǔ)鉆孔。

考慮到15號(hào)煤層的厚度，可采用用千米鉆機(jī)進(jìn)行預(yù)抽。其施工工藝為，每隔500 m施工一個(gè)千米鉆機(jī)鉆場，鉆孔采用走向順層施工，間距為3～5 m，覆蓋范圍500 m×200 m，直徑為96 mm。鉆孔布置方式如圖3所示。

圖3 走向順層鉆孔區(qū)域預(yù)抽示意

根據(jù)某礦15號(hào)煤層巷道開拓情況，布孔方式為扇形，鉆孔個(gè)數(shù)15個(gè)，覆蓋范圍為400 m×400 m，每個(gè)鉆孔的分支數(shù)為3～4個(gè)，主孔約550 m，分支孔的走向垂距約為13 m，單孔施工進(jìn)尺一般在約1 200～2 000 m。孔徑為96 mm，鉆孔施工超前距為30 m。具體的千米鉆機(jī)鉆孔布置如圖4所示。

圖4 工作面預(yù)抽鉆孔布置示意

3.3 工作面回采時(shí)的瓦斯治理

邊采邊抽可以用來治理回采期間的瓦斯涌出問題。當(dāng)預(yù)抽時(shí)間不足以保證礦井的采掘銜接時(shí)，可采用邊采邊抽[3]。采動(dòng)的過程會(huì)使煤體卸壓，給瓦斯造成了新的裂隙空間和流通通道，煤層抽采效果顯著，從而降低回采期間的瓦斯涌出[4]。

具體方案如下：

工作面前方抽采鉆孔可以提前布置施工，在回采生產(chǎn)過程中邊采邊抽，抽采時(shí)間一般是8 h。待工作面回采推進(jìn)距抽采鉆孔1～3 m時(shí)，停止抽采瓦斯，以免通過煤層裂隙吸入空氣[5]。

邊采邊抽是工作面采前預(yù)抽的延續(xù)，不需要再動(dòng)工程，但必須做好管理工作，隨著工作面的推進(jìn)，靠近切眼的抽采鉆孔不斷失效，抽采管路也因逐段卸下而不斷變短，XV1302工作面前超前支護(hù)大約20 m。由于工作面煤質(zhì)較硬，鉆孔保存完好，在鉆孔報(bào)廢時(shí)應(yīng)及時(shí)關(guān)閉，以免采面割煤割透鉆孔漏氣，影響抽采效果。其抽采鉆孔與抽管路連接如圖5所示。

圖5 邊采邊抽時(shí)抽采鉆孔與抽管路連接示意

3.4 采空區(qū)的瓦斯治理

目前回采的工作面，即新采空區(qū)，采用的是鉆孔抽采的方法。老采空區(qū)(已經(jīng)采過的工作面)采用的是全封閉式抽采的方法。

1) 頂板高位鉆孔。在工作面的回風(fēng)巷，朝著工作面推進(jìn)方向的頂板打8個(gè)扇形孔，將鉆孔布置在裂隙帶中，從而進(jìn)行抽采。負(fù)壓改變了工作面上隅角瓦斯流場。以此達(dá)到解決工作采空區(qū)瓦斯涌出、上隅角瓦斯超限的問題(圖6)。

圖6 傾向高位鉆孔抽采上隅角瓦斯示意

2) 全封閉采空區(qū)抽采。全封閉采空區(qū)老采空區(qū)，老采空區(qū)內(nèi)存在大量高濃度瓦斯，從而增加礦井通風(fēng)的負(fù)擔(dān)和不安全因素。

為了減少密閉采空區(qū)的瓦斯向工作面的涌出，采用上隅角插管的方法，抽采上隅角的瓦斯[6]。具體施工如圖7所示。采空區(qū)插管和主管均需安裝閥門，用閥門來控制抽采量及濃度，防治瓦斯向工作面涌出。

圖7 全封閉采空區(qū)瓦斯抽采布置

4 治理效果

工作面回采期間，抽采瓦斯的平均濃度為1.55%，瓦斯抽采純量1.63 m3/min；頂板傾向高位鉆孔抽采瓦斯的平均濃度為13.22%，瓦斯抽采純量9.33 m3/min。目前礦井煤層抽采率約為63.20%，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，上隅角瓦斯未出現(xiàn)超限問題。采取的綜合治理技術(shù)保障了工作面的正常、安全生產(chǎn)，使礦井采掘接續(xù)步入良性發(fā)展，為礦井創(chuàng)造了良好的安全生產(chǎn)環(huán)境，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

1) 通過在掘進(jìn)面施工“長鉆孔+千米鉆孔”預(yù)抽的方法，解決了采掘緊張的問題，使礦井采掘接續(xù)步入良性發(fā)展。

2) 通過采前對(duì)工作面施工順層鉆孔，局部空白帶，用普通鉆機(jī)補(bǔ)充鉆孔，以及千米鉆機(jī)施工長鉆孔預(yù)抽瓦斯，工作面邊采邊抽技術(shù)對(duì)于降低回采期間的瓦斯起到重要作用。

3) 通過高位鉆孔抽采裂隙帶的采空區(qū)瓦斯，以及全封閉采空區(qū)瓦斯抽采，較大程度降低了上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

總之，通過對(duì)工作面采取瓦斯綜合治理技術(shù)，解決了工作面煤層存在的瓦斯壓力大、采掘接繼困難等問題,保證了礦井安全及正常生產(chǎn)。