綜采工作面上隅角瓦斯綜合治理技術(shù)應(yīng)用

張良飛

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 官地礦， 山西 太原 030022)

瓦斯作為井工礦井安全生產(chǎn)的重大威脅因素，一直都是管理的重難點(diǎn)。隨著礦井集約化程度的提高，開(kāi)采規(guī)模越來(lái)越大，瓦斯涌出量也越來(lái)越大，特別是采空區(qū)瓦斯，極易造成U型通風(fēng)工作面上隅角瓦斯積聚甚至超限，制約礦井安全生產(chǎn)。官地礦根據(jù)井下各工作面實(shí)際回采布局及瓦斯涌出情況，采取了合理的上隅角瓦斯治理技術(shù)，以控制瓦斯?jié)舛?，保證安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

官地礦隸屬于山西焦煤集團(tuán)西山煤電有限責(zé)任公司，是一座大型現(xiàn)代化省屬重點(diǎn)煤礦，核定生產(chǎn)能力390萬(wàn)t/年。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為92.88 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為12.73 m3/t，屬高瓦斯礦井。煤層透氣性系數(shù)在0.57～2.13 m2/MPa2·d. 礦井現(xiàn)布置3個(gè)回采工作面，分別為23512綜采工作面、36408綜采工作面、29409綜放工作面，皆根據(jù)工作面瓦斯涌出情況在本煤層瓦斯抽采的基礎(chǔ)上采取了上隅角瓦斯治理“一面一策”模式，其中23512綜采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為6.11 m3/min，上隅角采取懸空拖管瓦斯治理方式。36408綜采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為8.62 m3/min，上隅角采取采空區(qū)埋管+高位鉆孔瓦斯治理方式。29409綜放工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為10.13 m3/min，上隅角采取采空區(qū)埋管+高位鉆孔+大孔徑鉆孔瓦斯治理方式，3個(gè)工作面瓦斯均得到了有效治理。因此，在分析采煤工作面瓦斯情況的基礎(chǔ)上，采取上隅角相應(yīng)的瓦斯治理組合模式，既經(jīng)濟(jì)又安全，確保了礦井高效回采。

2 上隅角瓦斯積聚機(jī)理

采煤工作面上隅角積聚瓦斯主要來(lái)自于支架后部采空區(qū)，而采空區(qū)的瓦斯主要來(lái)源于兩部分：1) 受采動(dòng)影響鄰近層涌入的瓦斯。2) 回采遺浮煤自身解析積聚的瓦斯。在采空區(qū)近工作面區(qū)域，由于受漏風(fēng)風(fēng)流沖刷擾動(dòng)明顯，呈現(xiàn)出瓦斯流速大,瓦斯?jié)舛忍荻葟幕仫L(fēng)側(cè)至近風(fēng)側(cè)降幅明顯、從支架切線至采空區(qū)方向增幅明顯等特點(diǎn)，大部分瓦斯被攜帶至工作面上隅角區(qū)域。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)漏風(fēng)逐漸減少直至深部區(qū)域沒(méi)有漏風(fēng)，瓦斯分布也趨于平衡，直至達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)。根據(jù)上述采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植技傲黧w運(yùn)移規(guī)律，將采空區(qū)瓦斯分布劃分為三帶，即瓦斯涌出帶、過(guò)渡帶及滯留帶，因此控制采空區(qū)回風(fēng)側(cè)涌出帶瓦斯是上隅角瓦斯治理技術(shù)的關(guān)鍵。

3 上隅角瓦斯綜合治理技術(shù)

3.1 懸空拖管抽放

懸空拖管具有操作方便、抽放點(diǎn)連續(xù)的特點(diǎn)，能夠與工作面的推進(jìn)進(jìn)度吻合，而且管材可以回收，降低了碎石與遺管摩擦火花風(fēng)險(xiǎn)，既經(jīng)濟(jì)又安全。官地礦23511綜采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為8.61 m3/min，相對(duì)較小，所以上隅角采取懸空拖管瓦斯治理模式，效果良好。

懸空拖管抽放示意圖見(jiàn)圖1，在23511綜采工作面回風(fēng)巷布置一趟d325 mm低濃抽放管路，一直延伸至工作面煤壁切線往推進(jìn)方向5～20 m處，并且改換d200 mm波紋可伸縮擺動(dòng)軟管繼續(xù)延接至1#支架前立柱向后200 mm處，在距煤壁150 mm、巷道高度2/3處固定進(jìn)行瓦斯抽放。隨著工作面的推進(jìn)，在端頭密集支護(hù)掩護(hù)下，人工根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)挪移抽放波紋管，使抽放點(diǎn)一直保持在1#支架前立柱后200 mm處。當(dāng)上隅角未隨采隨落，出現(xiàn)空頂時(shí)，在1#支架前立柱處跺袋子阻隔，并且使抽放點(diǎn)剛好位于阻隔采空區(qū)側(cè)。

圖1 懸空拖管抽放示意圖

3.2 采空區(qū)埋管抽放

埋管抽放屬于一種開(kāi)放式的瓦斯抽采，通過(guò)抽采管路末端敞開(kāi)式埋管在上隅角區(qū)域形成的負(fù)壓區(qū)，直接將采空區(qū)高濃度瓦斯通過(guò)埋管系統(tǒng)抽出，36408綜采工作面埋管抽放系統(tǒng)見(jiàn)圖2. 該系統(tǒng)在回風(fēng)巷布置一趟d325 mm低濃抽放管路，并且在末端通過(guò)彎頭連接一趟d325 mm、高度1 800 mm、上部帶窗的豎管，末端豎管延伸至工作面后部采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽放。埋管抽放的關(guān)鍵在于末端豎管位置，其位于采空區(qū)后5～30 m的瓦斯涌出帶時(shí)抽放效果良好，所以在豎管埋入采空區(qū)后一定長(zhǎng)度時(shí)開(kāi)啟抽放，同時(shí)準(zhǔn)備埋入第二趟管路，兩趟管路豎管間距保持為20 m，當(dāng)?shù)诙斯苈坟Q管埋入采空區(qū)后，與第一趟埋入管路對(duì)接更換，甩去第一趟管路開(kāi)啟第二趟管路抽放，如此循環(huán)交替，直至工作面回采結(jié)束。

3.3 高位長(zhǎng)鉆孔裂隙帶抽放

根據(jù)采場(chǎng)覆巖移動(dòng)規(guī)律，采空區(qū)在礦山壓力影響下在豎直方向上形成了冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶三帶，在水平方向上形成了煤壁支撐區(qū)、離層區(qū)、后部壓實(shí)區(qū)三區(qū)。高位長(zhǎng)鉆孔沿回風(fēng)巷頂板走向布置在回風(fēng)巷側(cè)裂隙帶內(nèi)，通過(guò)采動(dòng)影響下形成的裂隙通道，將采空區(qū)涌出及鄰近層涌入的高濃度瓦斯帶入抽采系統(tǒng)，同時(shí)在終孔位置離層裂隙帶形成的負(fù)壓區(qū)，也使得上隅角區(qū)域流場(chǎng)重新分布，相對(duì)減少了上隅角瓦斯積聚。

圖2 采空區(qū)埋管抽放示意圖

高位長(zhǎng)鉆孔裂隙帶抽放關(guān)鍵在于終孔位置的選擇，官地礦36408綜采工作面高位長(zhǎng)鉆孔布置示意圖見(jiàn)圖3. 鉆孔布置在回風(fēng)順槽斜向切眼方向，開(kāi)孔位置在巷道頂幫交界處，在切眼外30 m處布置第一個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距30 m，每個(gè)鉆場(chǎng)施工4個(gè)鉆孔，孔徑113 mm. 1#鉆孔終孔距煤壁水平投影取15 m，終孔垂高取煤層厚度6倍14.94 m；2#鉆孔終孔距煤壁水平投影取25 m，終孔垂高取煤層厚度6倍14.94 m；3#鉆孔終孔距煤壁水平投影取35 m，終孔垂高取煤層厚度8倍19.92 m；4#鉆孔終孔距煤壁水平投影取45 m，終孔垂高取煤層厚度8倍19.92 m. 參數(shù)見(jiàn)表1.

圖3 高位長(zhǎng)鉆孔布置示意圖

表1 高位長(zhǎng)鉆孔參數(shù)表

3.4 超大直徑鉆孔瓦斯抽放

超大直徑鉆孔瓦斯抽放是在傳統(tǒng)U+L巷道布置上演變來(lái)的。傳統(tǒng)的U+L通風(fēng)方式通過(guò)橫貫將上隅角積聚瓦斯截流至瓦斯治理巷，治理效果良好，回采速度也大大提高，但其橫貫施工封閉工程量大，維護(hù)成本高，且治理巷瓦斯大易超限，而超大直徑鉆孔抽采恰好彌補(bǔ)了這一缺陷，既減少了橫貫的施工，又使用管路排放了瓦斯，更安全高效。

官地礦29409綜放工作面超大直徑鉆孔抽放系統(tǒng)見(jiàn)圖4，利用大孔徑鉆機(jī)從29409瓦斯治理巷向工作面回風(fēng)順槽垂直煤壁打d380 mm大孔徑鉆孔，終孔高度為距巷道底板2 m，孔間距為30 m，并且保持末端位于采空區(qū)瓦斯涌出帶的兩孔帶抽，隨工作面推進(jìn)不斷前移更替帶抽孔，直至回采結(jié)束。

圖4 超大孔徑瓦斯抽放示意圖

3.5 沿空留巷Y型通風(fēng)瓦斯治理

Y型通風(fēng)是指在工作面的上下兩端各設(shè)一條進(jìn)風(fēng)巷，另在采空區(qū)一側(cè)設(shè)回風(fēng)道的通風(fēng)方式，它與傳統(tǒng)U行通風(fēng)方式不同，上隅角不易積聚瓦斯，且回收了煤柱。官地礦12605工作面 Y型通風(fēng)布置示意圖見(jiàn)圖5，工作面兩順槽均為進(jìn)風(fēng)，風(fēng)流經(jīng)工作面在上隅角匯合后由采空側(cè)留巷經(jīng)12607備用面流出，由于工作面所配風(fēng)量全部用以稀釋上隅角瓦斯，所以瓦斯治理效果良好，而且該布局在采掘接替、經(jīng)濟(jì)效益方面也很可觀。

圖5 12605工作面Y型通風(fēng)示意圖

4 瓦斯治理情況

各工作面上隅角瓦斯?jié)舛入S推進(jìn)變化情況見(jiàn)圖6. 由圖6可以看出，各工作面上隅角瓦斯?jié)舛染刂圃?.5%以下，多數(shù)時(shí)間能夠控制在0.3%上下，遠(yuǎn)低于《煤礦安全規(guī)程》要求的1.5%，瓦斯控制效果良好。工作面瓦斯風(fēng)排及抽采量變化曲線見(jiàn)圖7、8. 由圖可以看出，各工作面瓦斯抽采量均比較穩(wěn)定，23512和12605工作面由于采取的抽采方式單一，抽采量穩(wěn)定在2 m3/min左右，而36408和29409工作面由于采用了多種瓦斯抽采組合方式，抽采量明顯提升，能夠穩(wěn)定在6 m3/min左右，但無(wú)論是哪種抽采組合方式，工作面的風(fēng)排瓦斯量雖小有波動(dòng)，可均未超5 m3/min，表明根據(jù)工作面瓦斯賦存規(guī)律，采取合適的治理模式，作業(yè)空間瓦斯涌出得到了有效控制。

圖6 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€圖

圖7 風(fēng)排瓦斯量變化曲線圖

圖8 抽采瓦斯量變化曲線圖

5 結(jié) 論

1) 官地礦23512、36408、29409、12605工作面絕對(duì)瓦斯涌出量分別為6.11 m3/min、8.62 m3/min、10.13 m3/min、6.87 m3/min，根據(jù)瓦斯涌出量大小，針對(duì)上隅角瓦斯，礦井在瓦斯涌出量較小的工作面采取了懸空拖管抽放單一治理方式，在瓦斯涌出量較大的工作面采取了采空區(qū)埋管抽放結(jié)合高位長(zhǎng)鉆孔裂隙帶抽放、超大孔徑鉆孔抽放的組合治理方式，而在條件允許的12605工作面采取了Y型通風(fēng)瓦斯治理，上隅角在采取相應(yīng)的瓦斯治理方式后，瓦斯涌出量大大減小，濃度也控制在了合理范圍內(nèi)，瓦斯得到了有效治理。

2) 上隅角懸空拖管抽放、采空區(qū)埋管抽放、高位長(zhǎng)鉆孔裂隙帶抽放、超大孔徑鉆孔抽放及Y型通風(fēng)瓦斯治理各有優(yōu)劣，其瓦斯治理效果逐步增強(qiáng)，在分析工作面布局、瓦斯情況的基礎(chǔ)上，綜合考慮人力、經(jīng)濟(jì)等方面因素，選擇合適的瓦斯治理組合模式，可以確保工作面安全高效回采。

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·