匡 帥 何 俊 郭魏魏

（河南理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454000）

放頂煤開采具有開采效率高、成本低等優(yōu)點，但是由于本煤層瓦斯涌出量的增加，工作面上隅角等處經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯超限。余吾煤業(yè)屯留礦N2202綜放工作面在正常割煤過程中瓦斯涌出正常，當(dāng)移架放頂落煤時，瓦斯瞬間涌出造成采場和上隅角瓦斯預(yù)警頻繁，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。針對上述問題，提出在回風(fēng)巷裂隙帶布置鉆孔高效抽采、回風(fēng)巷頂板插管等措施解決上隅角瓦斯超限問題。

1 工作面概況

潞安集團余吾煤業(yè)屯留礦N2202 綜放工作面主采山西組3＃煤層，屬穩(wěn)定煤層，無鄰近層開采。煤層平均傾角為4°，開采條件良好，為貧煤，煤質(zhì)變化程度小，厚度為5.00～7.25 m，平均厚度為5.99m，3＃煤層直接頂為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，局部為細(xì)砂巖；底板為黑色泥巖、粉砂巖，含泥巖或炭質(zhì)泥巖夾矸0～3 層。3＃煤層原煤瓦斯含量平均8.51m3／t。N2202工作面走向長度1200m，傾向長度285m，采用走向長壁一次采全高的綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，工作面布置見圖1。3＃煤層透氣性系數(shù)值域為0.524～1.7415 m2／MPa2·d，介于較難抽放到可以抽放類型之間，瓦斯抽采效率低，隨著開采強度增大，工作面上隅角瓦斯經(jīng)常超限，嚴(yán)重威脅著煤礦生產(chǎn)安全。

圖1 N2202工作面布置圖

2 上隅角瓦斯超限原因分析

N2202工作面采用兩進(jìn)兩回的雙U 型通風(fēng)方式。雙U 型通風(fēng)系統(tǒng)是一種以分源治理綜放開采采空區(qū)高瓦斯涌出的新型通風(fēng)系統(tǒng)，其本質(zhì)在于比常規(guī)的U 型通風(fēng)系統(tǒng)增加了一個U 型通風(fēng)系統(tǒng)，第一個U 型和第二個U 型巷道之間用橫貫聯(lián)系，主要適用于產(chǎn)量大、瓦斯涌出量大、需風(fēng)量大、傾角較小的高產(chǎn)高效回采工作面。N2202工作面上隅角瓦斯超限的原因初步分析與橫貫位置、采空區(qū)漏風(fēng)和開采強度有關(guān)。

2.1 橫貫位置的影響

N2202工作面高濃度瓦斯風(fēng)流進(jìn)入瓦斯排放巷的途徑是通過回風(fēng)巷和瓦斯排放巷之間的貫通聯(lián)絡(luò)巷，為了防止或降低采空區(qū)瓦斯大量涌入回風(fēng)巷，在橫貫中均設(shè)置了密閉，只打開距離采空區(qū)與工作面最近的一個橫貫密閉，使工作面、上隅角的瓦斯被沖入瓦斯排放巷中。工作面距橫貫不同距離時，風(fēng)流在進(jìn)入瓦斯排放巷的過程中遇到的阻力與距離成正比。考察工作面與25＃橫貫距離對上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊懭鐖D2所示。

圖2 工作面距橫貫不同距離時上隅角瓦斯?jié)舛?/p>

由圖2 可知，橫貫位置與工作面平行貫通時（即工作面推進(jìn)到某一橫貫處，風(fēng)流直接進(jìn)入橫貫沒有轉(zhuǎn)彎），此時上隅角風(fēng)流無突然變向，能量損失小，不會形成渦流，上隅角瓦斯?jié)舛忍幵谳^低水平；橫貫打開位置距工作面最遠(yuǎn)時，風(fēng)流經(jīng)尾巷至瓦斯排放巷期間多次變向，能量損失大，上隅角瓦斯?jié)舛忍幵谳^高水平。

2.2 采空區(qū)瓦斯涌出

根據(jù)N2202工作面生產(chǎn)工藝，為了更好地沿空留巷，該工作面在支架第180架至端尾架并延伸至回風(fēng)巷幫內(nèi)0.5 m 范圍內(nèi)鋪金屬網(wǎng)。采煤時，此部分煤柱放頂煤，但是落煤不能被后刮板輸送機運輸 （后刮板輸送機不能到達(dá)此位置），這部分煤體會對工作面靠近后刮板輸送機處及采空區(qū)風(fēng)流形成阻隔?，F(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示，在第170架時后刮板輸送機部分瓦斯?jié)舛扔?.87%升至1.29%，與工作面前面架次相比，此處有一個急劇跳躍的過程，說明在第170架處有瓦斯集中涌出現(xiàn)象，如圖3所示。因此可以認(rèn)為采空區(qū)漏風(fēng)地點在第170架后刮板輸送機位置，當(dāng)班測試采空區(qū)漏風(fēng)量為382m3／min，以攜帶的瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.85%初步計算，采空區(qū)漏風(fēng)帶入上隅角的瓦斯涌出量為2.55m3／min。因此防止采空區(qū)瓦斯經(jīng)漏風(fēng)帶入上隅角對降低上隅角瓦斯?jié)舛扔兄匾饔谩?/p>

圖3 工作面不同支架處風(fēng)量與瓦斯?jié)舛?/p>

2.3 開采強度

采場風(fēng)排絕對瓦斯涌出量是構(gòu)成上隅角瓦斯來源的主要渠道，而采場風(fēng)排絕對瓦斯涌出量與日產(chǎn)量的關(guān)系密切。隨著開采強度的加大，風(fēng)排絕對瓦斯涌出量也隨之增大，涌入上隅角的瓦斯量相應(yīng)增加。統(tǒng)計N2202工作面日產(chǎn)量與風(fēng)排絕對瓦斯涌出量的關(guān)系，如圖4 所示。實測N2202 工作面總進(jìn)風(fēng)量穩(wěn)定在4250 m3／min，根據(jù)目前割煤速度和產(chǎn)量，風(fēng)量已足以保證生產(chǎn)所需。在不增加進(jìn)風(fēng)量的情況下，治理上隅角瓦斯超限是實現(xiàn)工作面安全生產(chǎn)、高產(chǎn)高效的關(guān)鍵。

圖4 N2202工作面風(fēng)排絕對瓦斯涌出量與日產(chǎn)量線性回歸

3 上隅角瓦斯治理技術(shù)

解決上隅角瓦斯積聚問題，瓦斯抽采是根本。順層孔抽采時間長，從布孔聯(lián)網(wǎng)到鉆孔被破壞，抽采時間一年以上，對減少原始煤體中的瓦斯作用顯著。N2202工作面帶式輸送機巷以及回風(fēng)巷內(nèi)圈順層孔抽采應(yīng)作為本煤層抽采的基礎(chǔ)，2012 年前9個月回風(fēng)巷順層孔抽采純量平均為3.802m3／min，帶式輸送機巷順層孔抽采純量為4.08m3／min，合計為7.882m3／min，但是由于煤層厚度較大，布置順層鉆孔不留空白帶的難度很大，而且由于放頂煤工藝的特殊性，割煤、放煤時瓦斯異常涌出的可能性較大，因此應(yīng)在順層孔的基礎(chǔ)上布置其他更加有利于瓦斯抽采鉆孔補充空白區(qū)。

圖5 N2202回風(fēng)巷道鉆場裂隙帶抽采鉆孔布置圖

3.1 回風(fēng)巷裂隙孔高效抽采

對高瓦斯礦井，利用頂板裂隙帶治理瓦斯已經(jīng)成為主要治理方式之一。實質(zhì)就是利用鉆場布置終孔位置在裂隙帶內(nèi)的鉆孔抽放采空區(qū)冒落帶及裂隙帶的瓦斯，解決上隅角瓦斯大面積積聚和回風(fēng)流瓦斯超限問題。裂隙帶鉆孔抽采時間較短，主要在回采時采動應(yīng)力集中帶發(fā)揮作用，對工作面回采期減少瓦斯涌出作用顯著，還可以在采空區(qū)繼續(xù)抽采。根據(jù)“三帶”高度經(jīng)驗公式及屯留煤礦其他工作面實際，分析確定N2202工作面冒落帶高度為18～25m，最大裂隙帶高度為88m。

在N2202工作面回風(fēng)巷巷幫每40m 開掘一個鉆場 （3＃～22＃），鉆場為內(nèi)寬4m、外寬6m、深5.5m、高3.6m 的單邊梯形鉆場，每個鉆場側(cè)面向工作面方向布置兩排共12個鉆孔，呈三花眼布置，均為裂隙帶鉆孔，控制范圍為距煤層頂板之上25～30 m。鉆孔開口位置距底板分別為1.8 m、2.2 m，裂隙孔間距0.5 m，裂隙孔終孔點間距20m。N2202回風(fēng)巷道鉆場裂隙帶抽采鉆孔布置如圖5所示。

跟蹤觀測鉆場抽采數(shù)據(jù)，收集了自7月5日第 一個鉆場至9月30日第八個鉆場鉆孔切入為止（第八個鉆場內(nèi)的鉆孔開始起作用，即開始大量抽采裂隙帶瓦斯）的數(shù)據(jù)，比較了1?！?＃鉆場全煤順層鉆孔和裂隙孔抽采的效果，數(shù)據(jù)匯總見表1。由表1可以看出，有裂隙孔的5?！?＃鉆場抽采的純量最大達(dá)到5.56m3／min，單孔平均為0.46m3／min，經(jīng)計算順層孔的單孔平均純抽采量為0.02m3／min，就單孔而論，回風(fēng)巷裂隙帶抽采鉆孔是順層孔的23倍之多，抽采濃度穩(wěn)定在30%左右。

表1 N2202回風(fēng)巷鉆場抽采數(shù)據(jù)匯總一覽表

圖6 回風(fēng)巷頂板插管圖

3.2 回風(fēng)巷頂板插管抽采上隅角瓦斯

為了解決上隅角因為微風(fēng)區(qū)形成的渦流而造成的瓦斯積聚，在N2202 回風(fēng)巷布置頂板鉆孔，抽采煤層與直接頂冒落的離層區(qū)域內(nèi)上隅角積聚的瓦斯。頂板插管鉆孔抽采因頂板垮落積聚在離層區(qū)的高濃度瓦斯，達(dá)到減少渦流產(chǎn)生的可能性，對上隅角瓦斯的及時處理起到很好作用，頂板插管側(cè)視圖及俯視圖如圖6所示。頂板鉆孔不同布置時抽采效果也有很大不同，試驗對比抽采效果見圖7。在回風(fēng)巷施 工4 排方 位 角 分 別 為225°、225°、210°、180°、傾角50°～60°、孔深12m，垂直于回風(fēng)巷幫偏向工作面方向的鉆孔，此時抽采效果最好。由于頂板插管鉆孔很好地深入到由于采空而形成的離層區(qū)中，確保采空區(qū)、上隅角瓦斯能得到及時抽采，回風(fēng)巷頂板插管鉆孔雖然抽采純量比較小，但是對于及時避免上隅角瓦斯形成渦流效果顯著，是上隅角瓦斯治理的一種新方法。

4 效果分析

收集2012年8月初至11月15日N2202工作面日產(chǎn)量及上隅角瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，如圖8所示。由圖8可以看出，在采取相應(yīng)措施之后 （9 月11 日之后）上隅角瓦斯?jié)舛入S著相應(yīng)措施的生效明顯降低，統(tǒng)計600次數(shù)據(jù)中，預(yù)警次數(shù)由297次直接下降到50次。后期上隅角瓦斯?jié)舛然究刂圃陬A(yù)警值以下，在上隅角及采場瓦斯?jié)舛绕椒€(wěn)減小的情況下，產(chǎn)量在10月至11月份增加明顯，實現(xiàn)了安全高效生產(chǎn)的目標(biāo)。

圖7 頂板插管不同布置抽采量對比圖

圖8 N2202工作面日產(chǎn)量及上隅角瓦斯?jié)舛茸兓厔?/p>

5 結(jié)論

在分析了N2202 工作面上隅角瓦斯超限原因的基礎(chǔ)上，提出以回風(fēng)巷裂隙帶高效抽采為主，輔以上隅角頂板插孔的抽采方案解決上隅角瓦斯超限問題。回風(fēng)巷裂隙帶鉆孔和本煤層鉆孔抽采可大幅降低煤層瓦斯含量，從源頭上減少涌入上隅角的瓦斯是上隅角瓦斯?jié)舛冉档偷幕A(chǔ)；上隅角頂板插管鉆孔抽采上隅角高濃度瓦斯則是有針對性的進(jìn)一步降低上隅角處瓦斯?jié)舛?。方案實施后效果明顯，上隅角瓦斯?jié)舛绕椒€(wěn)減小，產(chǎn)量增加明顯，實現(xiàn)了工作面的安全高產(chǎn)高效。

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