王鵬圖

(大同煤礦集團(tuán)設(shè)計(jì)研究有限公司，山西大同037003)

0 引言

隨著近年來(lái)采煤新技術(shù)的不斷應(yīng)用，促進(jìn)了煤礦采掘機(jī)械化程度的提高，在逐步加快工作面推進(jìn)速度的過(guò)程中也提高了工作面的生產(chǎn)能力，雖然各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到了高產(chǎn)、高效、低耗的水平，但是隨之而來(lái)存在著很多問(wèn)題，其中瓦斯問(wèn)題最為嚴(yán)重，瓦斯問(wèn)題主要包括瓦斯煤塵爆炸和煤與瓦斯突出等，這兩種現(xiàn)象都給煤礦帶來(lái)了不可估量的損失。這些問(wèn)題不僅對(duì)井下人員的生命造成威脅，還會(huì)摧毀礦井設(shè)施和致使礦井停產(chǎn)。本文以多年的工作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，介紹了綜采工作面瓦斯治理措施及效果。

1 綜采工作面概況

326510 工作面5 號(hào)煤層是煤與瓦斯突出煤層，其中以地面為標(biāo)準(zhǔn)的高度為1 062 ～1 107.2 m，工作面標(biāo)高范圍為478 ～554.4 m，煤礦埋藏在深度為502 ～586.4 m 的地下。具有走向長(zhǎng)度為1 697.8 m 的工作面，傾斜長(zhǎng)度大概為240 m，煤層的厚度平均為2.6 m，傾斜角度范圍在1° ～6°之間，平均大約為3°。具有較為穩(wěn)定的煤層存儲(chǔ)。通過(guò)相關(guān)的調(diào)查和研究后發(fā)現(xiàn)煤層具有15.31 m3/min 瓦斯含量，在煤層的北側(cè)為采空區(qū)。工作面老頂和直接頂厚度分別為4.9 m 和5.79 m，屬于夾砂質(zhì)泥巖條帶黑灰色砂質(zhì)泥巖，垮落問(wèn)題容易在頂板出現(xiàn)。綜采工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式的布置形式，采取綜采機(jī)械化方式和垮落法的頂板管理。

2 綜采工作面瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)

在綜采工作面初采期間和老頂尚未垮落之前，瓦斯量為15.31 m3/min，主要包括煤層涌出瓦斯量及工作面采空區(qū)殘存煤涌出的瓦斯量?jī)煞N。在煤礦開采的過(guò)程中，工作面(以圍巖瓦斯及鄰近層瓦斯涌人為主)瓦斯含量隨著采面回采距離超出切眼30 m 之后不斷的增加。經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)可以得出該綜采工作面瓦斯涌出量將達(dá)到49.97 m3/min。其中70%的瓦斯涌出量來(lái)源于圍巖及采空區(qū)，煤層自身涌出量大約為30%，由以上的數(shù)據(jù)可以看出，圍巖及采空區(qū)涌出量是該工作面主要的瓦斯涌出量。

3 綜采工作面瓦斯綜合治理技術(shù)及應(yīng)用

研究該綜采工作面概況及瓦斯涌出量并進(jìn)行預(yù)測(cè)可以看出，該煤層工作面瓦斯主要來(lái)源是瓦斯涌出、鄰近層工作面采空區(qū)瓦斯涌出及圍巖瓦斯涌出。由于考慮到工作面瓦斯預(yù)測(cè)涌出量達(dá)到了40 m3/min 較大，決定采取綜合治理方案來(lái)保證綜采工作面瓦斯綜合治理效果，將多種治理技術(shù)及措施結(jié)合起來(lái)以實(shí)現(xiàn)瓦斯的有效治理。

3.1 采用配置風(fēng)量的方式稀釋該煤層及采空區(qū)涌出的瓦斯

在瓦斯治理過(guò)程中合理的配置風(fēng)量，綜合考慮工作面進(jìn)風(fēng)巷設(shè)計(jì)斷面、回風(fēng)巷設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行風(fēng)量的配置，同時(shí)將煤礦回采過(guò)程中因擾動(dòng)所產(chǎn)生的變形因數(shù)和風(fēng)量在采空區(qū)中存在的流動(dòng)規(guī)律考慮在內(nèi)。在綜合考慮以上因素和該綜采工作面回采作業(yè)采取的運(yùn)輸巷超前回風(fēng)巷15 m 布置形式的情況下，以工作面通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，在回風(fēng)流及綜采工作面中帶入采空區(qū)內(nèi)存在的瓦斯以避免綜采工作面風(fēng)量大部分進(jìn)入到采空區(qū)，最后將工作面風(fēng)量配置為1 100 m3。

3.2 進(jìn)行工作煤層瓦斯預(yù)抽

在對(duì)該綜采工作面進(jìn)行運(yùn)輸巷掘的整個(gè)過(guò)程中，以24 m為間隔標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鉆場(chǎng)的設(shè)置，總共設(shè)計(jì)20 個(gè)鉆場(chǎng)。并在鉆場(chǎng)中沿工作煤層傾角設(shè)置3° ～8.5°的傾角以及10°的夾角，同時(shí)將鉆孔開孔間距保持在0.4 m 以上，將鉆孔深度設(shè)計(jì)為70 ～120 m 的范圍內(nèi)，將鉆孔在綜采工作面中均勻的布置為扇形，可以采用如圖1 所示的布置形式:采取SKW-85 型號(hào)瓦斯抽放泵在該煤層中進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽，該抽放泵的主管路直徑采用250 mm 的管路，用抽放泵實(shí)現(xiàn)煤層瓦斯的預(yù)抽。

圖1 工作煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔布置示意圖

3.3 通過(guò)埋管進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽放作業(yè)

應(yīng)用型號(hào)為2BEC50 水環(huán)式真空泵進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽放作業(yè)，采用綜采工作面采空區(qū)及上隅角的瓦斯抽放區(qū)域。將規(guī)格為直徑325 mm 的瓦斯抽放管路預(yù)先埋設(shè)在工作面回風(fēng)巷內(nèi)，這個(gè)工作在該綜合工作面回采作業(yè)之前進(jìn)行，在綜合分析工作面頂板垮落步距、綜采工作面初次來(lái)壓與工作面周期來(lái)壓規(guī)律的基礎(chǔ)上采用30 m 的抽放間隔標(biāo)準(zhǔn)，在采空區(qū)上隅角隔離墻之后埋設(shè)“T”型網(wǎng)管，在打開瓦斯抽放閘閥的情況下對(duì)上隅角積聚瓦斯抽放量進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)閘閥的調(diào)節(jié)。將閘閥在隔離墻施工到閘閥位置以后完全打開，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)閘閥的調(diào)節(jié)綜采工作面采空區(qū)及上隅角瓦斯涌量的抽放采用真空泵及瓦斯抽放管。

3.4 鉆孔抽放走向近水平高位瓦斯涌出量

在進(jìn)行走向近水平高位瓦斯涌出量抽放的時(shí)候采取鉆孔抽放的形式或者可以作為工作面頂板裂隙帶瓦斯抽放。在煤礦回采作業(yè)過(guò)程中以煤礦礦山壓力規(guī)律為基礎(chǔ)，在綜采工作面周邊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)采動(dòng)應(yīng)力的影響范圍，可以在礦山垂直方向產(chǎn)生帽落帶、裂隙帶與彎曲下沉帶，會(huì)產(chǎn)生水平走向上的三個(gè)區(qū)，包括煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)及重新壓實(shí)區(qū)。由于裂隙空間在綜采工作面采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)中存在，瓦斯通過(guò)這些裂隙空間涌出及流動(dòng)。裂隙帶內(nèi)蘊(yùn)含的瓦斯流動(dòng)性會(huì)在高位鉆孔抽放負(fù)壓的影響下增加，增加了走向近水平高位瓦斯涌出量，為了有效的抽出高濃度瓦斯，以近水平高位鉆孔抽放為解決方法。在綜合考慮工作面實(shí)際情況的前提下設(shè)計(jì)可以在巷道內(nèi)部進(jìn)行鉆孔抽放的高位瓦斯抽放巷，設(shè)置 4 ～9 個(gè)鉆孔并保持2° ～4°的傾角。設(shè)置應(yīng)大于0.4 m 的鉆孔開孔間距，將20 m 的終孔設(shè)置在綜采54 工作面距內(nèi)，并在在距離頂板10 m 頂板內(nèi)部布置孔深為100 m 的終孔，鉆孔布置形式如圖2 所示。

圖2 鉆孔抽放近水平高位瓦斯鉆孔布置示意圖

在抽放高位瓦斯時(shí)，需要將高位瓦斯抽放巷開口設(shè)置在綜采工作面回風(fēng)巷內(nèi)，在進(jìn)行巷道掘進(jìn)作業(yè)的過(guò)程中則沿著垂直回風(fēng)巷采面內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)仰角進(jìn)行，當(dāng)巷道與綜采工作面頂板的距離為10 m 設(shè)置打鉆平臺(tái)，在采面與打鉆平臺(tái)相反的方向進(jìn)行規(guī)格為直徑153 mm 的抽放鉆孔的施工，在完成抽放鉆孔施工及封孔作業(yè)以后把鉆孔與抽放管連接起來(lái)。將密閉墻設(shè)置在高位抽放巷偏口位置，進(jìn)行采空區(qū)近水平高位瓦斯抽放作業(yè)時(shí)采用型號(hào)為2BEC50 的抽放泵。

3.5 綜采工作面上方裂隙帶瓦斯鉆孔抽放

將在該綜采工作面回風(fēng)巷內(nèi)部設(shè)置規(guī)格直徑為273 mm 型號(hào)的抽放管，為了降低涌入工作面瓦斯量，通過(guò)鉆孔抽放采空區(qū)鄰近層及裂隙帶瓦斯的方法。

4 綜采工作面瓦斯治理效果研究

在對(duì)該綜采工作面瓦斯采取綜合措施進(jìn)行綜合治理的過(guò)程中取得了如下瓦斯治理效果。

4.1 工作煤層瓦斯抽放效果

綜采工作面于2012 年開始進(jìn)行掘進(jìn)，2014 年9 月完成施工，在工作面掘進(jìn)過(guò)程中瓦斯抽放濃度保持在10% ～15%范圍內(nèi)，保持5 ～7.5 m3/min 之間的純瓦斯量抽放。抽放了大約621 萬(wàn)m3的瓦斯總量。

4.2 采空區(qū)瓦斯抽放效果

采空區(qū)內(nèi)瓦斯在綜采工作面初次來(lái)壓之前主要是浮煤殘存瓦斯，對(duì)工作面風(fēng)流到采空區(qū)內(nèi)后的采空區(qū)內(nèi)部瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了稀釋，達(dá)到了約為20%瓦斯抽放濃度以及約為11 m3/min瓦斯排放量。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，瓦斯含量超標(biāo)問(wèn)題嚴(yán)重的影響著煤礦作業(yè)過(guò)程中煤礦開采的安全性及進(jìn)度，對(duì)于煤礦作業(yè)綜合利益的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了負(fù)面影響，在傳統(tǒng)的治理方式中，多采取通風(fēng)稀釋方式進(jìn)行瓦斯的治理，由于該治理方式的局限性，為充分保障煤礦作業(yè)安全性應(yīng)該采取綜合瓦斯治理措施治理工作面瓦斯涌出量較大的情況。本文采用了對(duì)工作煤層、工作面采空區(qū)、高位瓦斯抽放巷及裂隙帶及鄰近采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行綜合治理的方法，并取得了理想的治理成效。

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