某礦1010203工作面瓦斯防治系統(tǒng)設計

鐘向鋒，趙明明

(陜西小保當礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

隨著陜西礦井的現代化建設與煤田的大規(guī)模開發(fā)利用，采空區(qū)瓦斯涌出異?，F象日益突出，已經嚴重威脅到礦井安全、高效開采。近年來，國內許多學者進行了瓦斯防治方面的課題研究。呂文陵等[1-2]針對國陽二礦高瓦斯自燃煤層綜放開采的實際情況，分析了“U+Ⅱ”型孤島綜放面采空區(qū)遺煤自燃特點及危險性。利用單元法對孤島面的漏風狀況進行了現場實測，基于數值模擬結果分析了綜放采空區(qū)內的漏風流場，最后根據采空區(qū)自燃“三帶”的滲流風速確定了可能自燃帶的范圍。秦波濤等[3]為解決瓦斯與煤自燃復合災害的重大隱患，建立了“W”型通風方式條件下交錯鉆場高位鉆孔抽放、旁路式傾向高位鉆孔抽放、鄰近采空區(qū)鉆孔抽放等立體瓦斯抽放體系；同時提出了采用三相泡沫對采空區(qū)浮煤覆蓋、不燃高倍數固化泡沫對漏風地點迅速封堵、易自燃區(qū)域目標注氮惰化、支架后面注塑性水玻璃凝膠堵漏降溫等“注-堵”成套防滅火關鍵技術，有效地解決了采空區(qū)煤自燃危險性。李勵[4]成功地運用了預抽瓦斯、邊采邊抽瓦斯和采空區(qū)瓦斯抽采技術，解決了綜放面瓦斯集中涌出的難題，保證綜放面連續(xù)安全生產。屈慶棟等[5]對比研究關鍵層運動對鄰近層瓦斯動態(tài)涌出的影響，發(fā)現不同覆巖關鍵層結構條件下，鄰近層瓦斯涌出的動態(tài)過程是不一致的，進一步證實了關鍵層運動對鄰近層瓦斯動態(tài)涌出的控制作用。陳建強[6-7]研究了急傾斜煤層綜放工作面瓦斯的涌出特點，提出了瓦斯防治的一整套措施，實現了急傾斜特厚煤層綜放工作面的安全開采。王佑安等[8]分析了綜放面的瓦斯涌出特點，認為絕對瓦斯涌出量成倍增加，而相對瓦斯涌出量減少；采空區(qū)瓦斯涌出量增大，瓦斯涌出不均衡等，并提出了防治措施。程志恒等[9]總結分析了綜放工作面瓦斯防治技術，通過布置內錯尾巷以構建“U+I”型通風方式實現了上隅角瓦斯治理，通過布置走向高抽巷實現了鄰近層瓦斯卸壓抽采，抽采量高達100 m3/min，抽采率超過90%。王長元等[10]根據綜放面煤層自然發(fā)火的特點，分析了煤層自然發(fā)火的原因，提出綜放面的管理技術措施和不同回采時期的自燃火災綜合防治措施。程國明等[11-12]綜述了國內綜放瓦斯理論的現狀和高瓦斯及突出礦井治理瓦斯的措施，指出了綜放瓦斯防治理論、高瓦斯及突出礦井綜放面瓦斯治理中存在的問題。張新戰(zhàn)等[13]針對急傾斜特厚煤層高階段綜放開采下易導致瓦斯突然急劇釋放、瓦斯超限及綜合治理難題，以烏東煤礦西采區(qū)安全開采為研究背景，采用理論分析、實驗測試和現場試驗等方法，提出了基于礦壓調控的瓦斯立體抽放工藝技術，開展現場應用驗證，實現了工作面安全高效生產。

通過現場實測和理論分析的方法，針對該礦井瓦斯抽采效率低的現象，提出了1010203工作面分區(qū)預抽放鉆孔設計方案。同時，基于分區(qū)抽放鉆孔設計方案實施效果，給出了瓦斯抽放管路的布設方式，提出了工作面在掘進期間利用風排方式和工作面回采前對煤層進行分區(qū)預抽的兩種瓦斯治理方案。

1 工作面瓦斯來源分析

1.1 礦井瓦斯概況

陜西某礦1010203工作面布置位于該礦井一采區(qū)的西翼，其走向長度為1 469 m，寬度為192 m，采用放頂煤開采方式；根據重慶煤科院編制的瓦斯抽采工程初步設計說明書中，確定1010203工作面所屬B2煤層噸煤瓦斯含量為2.35～5.8 m3/t，可解析出瓦斯含量為1.046 2～4.470 3 m3/t，透氣性系數為0.001 1～0.045 4，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.031 3～0.258 8，故確定該礦井屬高瓦斯礦井。本礦區(qū)地表地貌如圖1所示。

圖1 礦區(qū)地表地貌

1.2 瓦斯來源分析

B2煤層在本區(qū)域為原始煤層，瓦斯主要來源于煤層本身。巷道在掘進過程中，瓦斯沿采動產生的裂隙向巷道涌出。工作面隨著開采時間的推移，工作面落煤強度逐漸增大，在單位時間內圍巖和鄰近層受開采煤層采動卸壓影響范圍增大，特別是老頂大面積垮落后，采空區(qū)內冒落空間增大，頂板冒落高度增加，裂隙帶發(fā)育較高。另因煤層群聯(lián)合開采，且上下鄰近層數量較多，開采過程中，鄰近層會解析出大量瓦斯，并通過裂隙涌出采空區(qū)。同時每層煤采用綜放開采，由于采空區(qū)丟落煤多，進一步解吸出大量瓦斯；當頂板周期垮落時，采空區(qū)內冒落空間積聚大量的瓦斯被擠壓出采空區(qū)，瞬間采空區(qū)瓦斯涌出量急劇增大，占工作面瓦斯涌出量的60%～70%，成為回采期間瓦斯的主要來源。

2 1010203工作面瓦斯抽放系統(tǒng)設計

2.1 瓦斯抽放鉆孔設計方案

設計第1階段：第1階段為1010203工作面前500 m區(qū)域，由于其工藝巷掘進進度不能滿足抽放預抽鉆孔的布置要求，故計劃實行分區(qū)抽放。即在1010203工作面的下順槽與上順槽分別布置預抽瓦斯鉆孔。①1010203下順槽鉆孔布置。鉆孔沿煤層走向布置、沿傾向施工，不施工鉆場。根據同一煤層1010201綜放工作面抽放半徑試驗結果，初步計劃對下順槽第1段預抽鉆孔參數間距取6.5 m，具體情況可根據現場實際情況和瓦斯抽放效果進行調整。鉆孔深度88 m，孔徑≥153 mm。具體布置方案如圖2所示，其預抽鉆孔技術參數見表1。②1010203上順槽鉆孔布置。鉆孔沿煤層走向布置、沿傾向反向施工俯孔，鉆孔參數間距取6.5 m，具體情況可根據現場實際情況和瓦斯抽放效果進行調整。鉆孔深度88 m，孔徑≥153 mm。具體布置方案如圖3所示，其預抽鉆孔技術參數見表2。

圖2 1010203下順槽第1階段預抽鉆孔布置剖面

表1 1010203下順槽預抽鉆孔技術參數表

圖3 1010203上順槽第1階段預抽鉆孔布置剖面

表2 1010203上順槽預抽鉆孔技術參數

設計第2階段：1010203工作面第2階段為500 m后瓦斯抽放區(qū)域，此階段預抽孔在下順槽和工藝巷布置。①1010203下順槽鉆孔布置。鉆孔沿煤層走向布置、沿傾向施工，不施工鉆場。計劃將下順槽預抽鉆孔參數間距取6.5 m，具體情況可根據現場實際情況和瓦斯抽放效果進行調整。鉆孔長度為88 m，孔徑≥153 mm。具體布置方案如圖4所示，其預抽鉆孔技術參數見表1。②1010203工藝巷鉆孔布置。鉆孔沿煤層走向布置、沿傾向施工，不施工鉆場。計劃將工藝巷預抽鉆孔參數間距取6.5 m，具體情況可根據現場實際情況和瓦斯抽放效果進行調整。鉆孔長度為88 m，孔徑≥153 mm。具體布置方案如圖5所示，其預抽鉆孔技術參數同表1。

圖4 1010203下順槽第2階段預抽鉆孔布置剖面

圖5 1010203工藝巷預抽鉆孔布置剖面

2.2 瓦斯插管抽放設計方案

采空區(qū)插管抽放：采空區(qū)插管抽采方法，選擇φ315PE抽采管路對采空區(qū)瓦斯進行抽放，每節(jié)抽放管路長6 m。采空區(qū)插管抽放深度不超過6 m，隨著工作面的推進，使用特制3 m短管對6 m抽放管路進行更換，隨即對更換的抽放管路進行回收，更換步距為3 m，交替進行。抽放采用敞口式，管口利用鋼絲網進行保護，防止煤渣等雜物被吸入抽放管內。

上順槽、工藝巷高位孔抽放設計：上順槽距離工作面切頂線10 m范圍內每隔5 m左右，向上隅角采空區(qū)施工鉆孔，鉆孔連接到隅角插管三通進行抽放。布置方案如圖6所示。鉆孔技術參數：孔徑133 mm，仰角70°，鉆孔間距5 m，孔深為30 m。

圖6 上順槽高位孔鉆孔布置

工藝巷每隔50 m施工一組高位孔，每組3個孔，間距為1 m，分別施工至工作面95#、100#、105#支架上部距離底板30 m上部采空區(qū)，鉆孔連接到工藝巷高壓抽放管路進行抽放。布置方案如圖7所示。其預抽鉆孔技術參數見表3。

圖7 工藝巷高位孔鉆孔布置

表3 工藝巷高位鉆孔技術參數

3 瓦斯防治方案確定

3.1 瓦斯抽放管路布設

1010203上順槽：地面固定抽放泵站→風井→1432回風石門→B2回風斜巷→B2回風上山→1010203工作面上順槽，管線鋪設總長為2 992 m。

1010203工藝巷：地面固定抽放泵站→風井→1432回風石門→B2回風斜巷→B2回風上山→+1318水平回風巷→1010203下順槽→1010203工藝巷，管線鋪設總長度為3 350 m。

1010203下順槽：地面固定抽放泵站→風井→1432回風石門→B2回風斜巷→B2回風上山→+1318水平回風巷→1010203下順槽，管線鋪設總長度為3 260 m。

抽放管路在巷口處各安設一個支管路閥門，每個抽放鉆場處，預留一個管路三通，定期使用CJZ7便攜式瓦斯參數測定儀測定支管路的流量等數據。

3.2 瓦斯治理方案

基于重慶煤科院提供的瓦斯參數測定結果以及煤層揭露時瓦斯涌出量觀測結果分析，可得出以下兩種方案。①1010203工作面掘進期間不進行抽放作業(yè)，利用風排方式可對瓦斯進行有效控制；②1010203工作面回采前進行煤層分區(qū)預抽的方法治理瓦斯災害，確保工作面瓦斯抽采達標。

4 結論

(1)基于該礦實測資料對瓦斯涌出構成及來源進行了分析，尤其在多煤層聯(lián)合綜放開采方式下，由于采空區(qū)內冒落空間積聚大量的瓦斯被擠壓出采空區(qū)，導致瞬間采空區(qū)瓦斯涌出量急劇增大，占工作面瓦斯涌出量的60%～70%，故成為回采期間瓦斯的主要來源。

(2)針對瓦斯抽采效率低的問題，提出了1010203工作面分區(qū)預抽放鉆孔設計方案。即在工作面500 m前對其下順槽與上順槽分別布置預抽瓦斯鉆孔和在工作面500 m后對其下順槽和工藝巷分別布置預抽瓦斯鉆孔，實現了較為理想的瓦斯預抽效果。

(3)基于分區(qū)預抽放鉆孔設計方案的實施效果，給出了瓦斯抽放管路的布設方式。同時提出了兩種瓦斯治理方案。即在1010203工作面掘進期間利用風排方式控制瓦斯和工作面回采前對煤層進行分區(qū)預抽。