玉溪煤礦1301 工作面松軟煤層瓦斯抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

范 靜 波

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西蘭花科創(chuàng)集團(tuán)玉溪煤礦1301 工作面位于3#煤層一盤區(qū)，是玉溪煤礦的首采工作面，工作面開采3#煤層，3#煤層位于山西組下部，煤層傾角小于8°，厚度在5.12～7.20m，平均5.85m，煤層底板向上0.95m 處有一平均厚度為0.28m 的較穩(wěn)定泥巖或炭質(zhì)泥巖夾矸層，煤層直接頂為泥巖，平均厚度為2.4m，基本頂為中粒砂巖，平均厚度為5.3m，直接底為泥巖，平均厚度為1.5m，基本底厚度為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為8.3m，工作面采用大采高一次采全高采煤工藝，工作面采用“兩進(jìn)三回”通風(fēng)系統(tǒng)，具體工作面布置形式如圖1 所示。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，3#煤層具有突出危險(xiǎn)性，原煤瓦斯含量17～23m3/t，瓦斯壓力為2.79MPa，瓦斯含量16.81～18.32m3/t，煤層瓦斯壓力P 分別為1.20MPa 和1.40MPa 均大于0.74MPa，瓦斯放散初速度△p25.2～27.8 均大于10，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f 在0.45～1.09 之間，煤層不易自燃，煤塵無爆炸危險(xiǎn)性。3 號煤層涌出衰減系數(shù)為0.042～0.046d-1，煤層透氣性系數(shù)為0.134～0.26m2/MPa2.d，屬于可以抽放類型?；谏鲜鰯?shù)據(jù)可知，3#煤層屬于低滲透松軟煤層，現(xiàn)為有效治理工作面區(qū)域的瓦斯，特進(jìn)行瓦斯抽采技術(shù)的研究。

圖1 1301 工作面布置及井下位置圖

2 瓦斯抽采方案

由于3#煤層較為松軟、煤層透氣性較差，故若采用本煤層抽采出現(xiàn)抽采鉆孔施工困難，抽采效果差的想想，根據(jù)眾多理論研究與工程實(shí)踐結(jié)果可知[1-2]，實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯高效抽采的關(guān)鍵在于將抽采鉆孔布置在瓦斯富集區(qū)域和瓦斯運(yùn)移通道內(nèi)，此時(shí)不僅能夠減小抽采鉆孔的施工工程量，且能夠保障瓦斯抽采的濃度和流量。

現(xiàn)為有效解決1301 工作面回采期間采空區(qū)的瓦斯涌出和上隅角瓦斯易超限的問題，結(jié)合3#煤層的特征，確定采用工作面前方煤體卸壓瓦斯抽采+高位鉆孔裂隙帶抽采+千米鉆機(jī)裂隙帶鉆孔抽采技術(shù)相結(jié)合的瓦斯治理方案，具體各項(xiàng)瓦斯抽采技術(shù)布置形式如下：

2.1 工作面前方卸壓煤體瓦斯抽采技術(shù)

工作面的回采會打破煤體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，頂板巖層會隨著工作面回采逐漸形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，根據(jù)現(xiàn)有礦壓理論可知[3-4]，采動影響下工作面前方15m 范圍內(nèi)的煤體處于卸壓狀態(tài)，卸壓狀態(tài)下的煤體內(nèi)部裂隙會大量增加，此時(shí)在該區(qū)域布置抽采鉆孔能夠抽出大量的煤層內(nèi)的卸壓瓦斯。

1301 工作面卸壓抽采鉆孔沿工作面膠帶順槽和回風(fēng)順槽1 交錯(cuò)布置，鉆孔直徑為Φ94mm，鉆孔深度為95m，設(shè)置鉆孔間距為2.5m，其中垂直于順槽布置的抽采鉆孔稱為A 類鉆孔，該類鉆孔在距底板1m的位置處開孔，鉆孔向上傾角為1°，終孔高度為2.66m；順槽內(nèi)的另一類鉆孔為交叉鉆孔稱為B 類，其與順槽成8°布置，鉆孔傾角為1°，鉆孔Φ94mm，鉆孔深度為85.7m，終孔高度為3.8m，具體卸壓抽采鉆孔布置形式如圖2 所示。

圖2 工作面前方卸壓煤體瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

2.2 高位鉆孔裂隙帶抽采技術(shù)

通過在工作面布置高位鉆孔，將高位鉆孔的終孔位置布置于采空區(qū)頂板的裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)可有效防止工作面上隅角瓦斯超限現(xiàn)象，高位鉆孔在膠帶順槽和回風(fēng)順槽1 內(nèi)，設(shè)置高位鉆孔布置于鉆場內(nèi)，鉆場間距為50m，鉆場長×寬×高=6×4m×3.6m，每個(gè)鉆場內(nèi)布置兩排鉆孔，共計(jì)12 個(gè)抽采鉆孔，鉆孔呈三花布置，高位鉆孔采用氣囊法進(jìn)行封孔作業(yè)，設(shè)置封孔長度為12m，具體高位鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)如表1 所示。高位鉆孔的布置形式如圖3 所示。

表1 高位鉆孔布置參數(shù)表

圖3 高位鉆孔布置形式示意圖

2.3 千米鉆機(jī)裂隙帶鉆孔瓦斯抽采技術(shù)

該類鉆孔一般布置預(yù)工作面的回風(fēng)巷內(nèi)，主要是針對采空區(qū)上方裂隙發(fā)育區(qū)域的瓦斯進(jìn)行抽采作業(yè)，抽采鉆孔的終孔位置即布置在頂板裂隙發(fā)育區(qū)[5]，由于工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯會逐漸上浮，故此時(shí)通過布置抽采鉆孔采用抽采泵利用負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采。

表2 千米鉆機(jī)裂隙帶抽采鉆孔參數(shù)表

本次千米鉆機(jī)裂隙帶鉆孔布置在回風(fēng)順槽內(nèi)，共計(jì)布置2 個(gè)鉆孔，分別為1#和2#，其中1#鉆場超前工作面開切眼400m 布置，2#鉆場超前工作面開切眼900m，每個(gè)鉆場布置9 個(gè)鉆孔，具體每個(gè)鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)如表2 所示，1#鉆場內(nèi)鉆孔成鉆實(shí)際曲線圖。

圖4 千米鉆機(jī)1#裂隙帶鉆孔成鉆實(shí)際曲線圖

3 瓦斯抽采效果

3.1 千米鉆機(jī)裂隙帶鉆孔抽采效果

千米鉆機(jī)裂隙帶抽采鉆孔瓦斯抽采期間，長期進(jìn)行瓦斯抽采各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測，現(xiàn)具體以千米鉆機(jī)1#裂隙帶鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果能夠得出抽采期間瓦斯抽采純量、濃度及混合流量的曲線如圖5 所示。

分析圖5 可知，1#鉆場在2019 年10 月11 日切入工作面，在千米鉆機(jī)裂隙帶1#鉆場抽采初期，瓦斯的抽采純流量為1.5m3/min，瓦斯抽采濃度為26.7%，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，當(dāng)鉆場抽采至2019 年11 月15 日時(shí)，此時(shí)抽采負(fù)壓的提高導(dǎo)致了瓦斯抽采純流量和抽采濃度均呈現(xiàn)為下降的趨勢，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋?#鉆場抽采初期原本聚集在覆巖裂隙帶的瓦斯逐漸涌向抽采鉆孔區(qū)域，即表現(xiàn)為瓦斯以較高的流量和較高的濃度被抽出；而當(dāng)抽采至11月15 日時(shí)，此時(shí)1#鉆場中僅有1#和2#鉆孔進(jìn)入到工作面內(nèi)，致使抽采鉆孔暴露在采動影響后的裂隙帶的長度和面積均較小，致使該區(qū)域瓦斯抽采濃度和抽采純量均較小，抽采純流量穩(wěn)定在0.52m3/min，抽采濃度穩(wěn)定在11.2%。隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，1#鉆場中的3～9#鉆孔也逐漸進(jìn)入到采空區(qū)裂隙帶內(nèi)，進(jìn)而增大了瓦斯抽采鉆孔暴露于采動裂隙帶內(nèi)的長度及面積，即從2019 年10 月中旬瓦斯抽采濃度和流量均逐漸升高。

基于上述分析可知，隨著鉆孔暴露于裂隙帶內(nèi)面積的增大，抽采濃度和純量均逐漸增大；另外從圖中能夠看出整體平均瓦斯抽采濃度為34%，平均瓦斯抽采純流量為2.7m3/min，綜上可知，千米鉆機(jī)裂隙鉆孔瓦斯抽采效果良好。

3.2 整體抽采效果

在1301 工作面采用上述瓦斯治理措施后，工作面回采期間持續(xù)進(jìn)行工作面回風(fēng)巷和上隅角區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊臏y試，具體測試結(jié)果如表3 所示。

表3 瓦斯抽采措施實(shí)施前后瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)表

分析表3 可知，當(dāng)工作面瓦斯抽采措施未實(shí)施前，工作面上隅角最高瓦斯?jié)舛却笥诔迾?biāo)準(zhǔn)1.0%，工作面回采期間會出現(xiàn)超限現(xiàn)象，當(dāng)瓦斯抽采措施實(shí)施后，工作面回風(fēng)巷的平均瓦斯?jié)舛冉捣_(dá)30%，上隅角平均瓦斯?jié)舛冉捣_(dá)33%，瓦斯抽采措施實(shí)施后工作面回采期間無瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn)，保障了1301 工作面安全回采。

4 結(jié) 論

根據(jù)1301 工作面的賦存特征，結(jié)合3#煤層低滲透、松軟的特征，確定工作面采用工作面前方煤體卸壓瓦斯抽采+高位鉆孔裂隙帶抽采+千米鉆機(jī)裂隙帶鉆孔抽采技術(shù)相結(jié)合的瓦斯治理方案，并結(jié)合工作面特征具體進(jìn)行抽采方案的設(shè)計(jì)，根據(jù)抽采方案實(shí)施后的效果分析可知，抽采方案實(shí)施后，工作面回采期間無瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn)，保障了工作面的安全回采。