許華威，王金光

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

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高瓦斯礦井大傾角綜采面瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)

許華威，王金光

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

[摘要]根據(jù)唐山趙各莊礦3372東上工作面的開采工藝與地質(zhì)條件，通過對(duì)該工作面瓦斯來(lái)源進(jìn)行探討，并分析瓦斯積聚的原因，據(jù)此提出對(duì)角埋管抽放、高位鉆孔抽放的瓦斯防治技術(shù)，其中對(duì)角埋管抽放使采空區(qū)下部瓦斯流動(dòng)呈現(xiàn)Y型通風(fēng)的流動(dòng)效果。瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)實(shí)施后，工作面上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷诎踩秶畠?nèi)，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下，保證了綜采面的安全高效開采，為高瓦斯礦井大傾角綜采面的瓦斯災(zāi)害防治提供了借鑒。

[關(guān)鍵詞]高瓦斯礦井；大傾角；對(duì)角埋管抽放；高位鉆孔抽放

Methane Disaster Prevention of Large-inclined-angle Full-mechanized Mining Face in High-methane Mine

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.020

[引用格式]許華威，王金光.高瓦斯礦井大傾角綜采面瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)[J].煤礦開采，2015，20(5)：74-76，26.

煤炭資源在我國(guó)能源組成中占有重要地位，其在一次性能源結(jié)構(gòu)中所占比例為70%[1]左右。由于我國(guó)大部分煤礦是井工開采，隨著采煤新技術(shù)和新型機(jī)械化設(shè)備在礦井中的廣泛運(yùn)用，礦井的深度不斷加深。深部煤層中的瓦斯由于較好地保存在煤體中，造成國(guó)有煤礦都是瓦斯礦井，其中高瓦斯礦井所占的比例在50%[2]以上。

為了更好地治理高瓦斯礦井的瓦斯災(zāi)害，眾多科研工作者對(duì)瓦斯治理方面的研究不斷深入，開發(fā)了許多具有借鑒意義的瓦斯治理技術(shù)或取得相關(guān)參數(shù)。馬小濤[3]等以蘆嶺礦Ⅱ1048工作面為研究對(duì)象，得出深孔爆破的相關(guān)參數(shù)，不僅擴(kuò)大了瓦斯的有效抽放半徑，而且也降低了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。黃鑫業(yè)、蔣承林[4]以平煤十礦戊9-20180工作面為研究對(duì)象，得出合理的帶壓封孔工藝技術(shù)參數(shù)，在延長(zhǎng)有效抽采時(shí)間的同時(shí)，也將本煤層瓦斯抽放濃度提高30%～50%。趙耀江[5]等以沙曲礦14205綜采面為研究對(duì)象，利用頂板大直徑千米鉆孔對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采，有效地控制了工作面瓦斯?jié)舛?。李德參和夏?huì)輝[6]以石港礦15111綜放面為研究對(duì)象，利用偽傾斜后高抽巷瓦斯抽放技術(shù)，瓦斯抽采量達(dá)到24.58～75.25m3/min，杜絕了瓦斯?jié)舛仍诠ぷ髅娉蕖?/p>

本文以趙各莊礦3372東上工作面為研究對(duì)象，該綜采面位于原始瓦斯含量較高的7號(hào)煤層中，考慮3372東上工作面處于傾斜向急傾斜過渡區(qū)域且受F2斷層破碎帶的影響，結(jié)合該礦其他采區(qū)高瓦斯工作面的瓦斯治理技術(shù)，提出對(duì)角埋管抽放、高位鉆孔抽放的瓦斯防治技術(shù)。

1工程概況

趙各莊礦位于開灤礦區(qū)東北部，地處唐山市古冶區(qū)，井田走向長(zhǎng)9.05km，開采面積31.55km2。該礦井東翼含煤16層，從上往下二迭系有4，5，6，7，8，9號(hào)共6層煤；石炭系有11，12上，12中，12下，13，14上，14下，15，16號(hào)共9層煤；奧陶系僅有17號(hào)煤層。其中可采煤層7層，分別是5，7，9，11，12上，12中，12下煤層，礦井東翼部分可采煤層特征見表1，部分煤層綜合柱狀圖見圖1。

表1　礦井東翼可采煤層特征

圖1　部分煤層綜合柱狀

3372東上工作面位于7號(hào)煤層13水平東翼的3石門與4石門之間，工作面開采水平標(biāo)高為-988.3～-1048.2m，地面水平標(biāo)高為+37m，煤層走向長(zhǎng)度為639m，煤層走向角度在110～130°之間，煤層傾向長(zhǎng)度為78m，煤層平均傾角為37°，傾角總體是從下往上、從東往西逐漸變小，煤層平均厚度和采高分別為3.05m，2.40m，局部發(fā)育無(wú)連續(xù)性多層夾矸，夾矸是平均厚度0.25m的深灰色粉砂巖或黑色泥巖。采用后退式綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法處理頂板，U型通風(fēng)，煤層堅(jiān)固性系數(shù)和變異系數(shù)分別為1.2，21%，屬于二類自燃煤層，煤層爆炸性指數(shù)為44.04%，煤層原始瓦斯含量為5.8m3/t。

2瓦斯治理的依據(jù)

2.1　綜采面瓦斯來(lái)源分析

3372東上工作面的直接頂是平均厚度為1.49m的深灰色粉砂質(zhì)泥巖，由于透氣性較差，煤層中的原始瓦斯被很好地保存下來(lái)。在3372東上工作面使用結(jié)構(gòu)尺寸小、傳遞功率大等優(yōu)點(diǎn)的MG200/500-AWD型采煤機(jī)，實(shí)際推進(jìn)過程中采煤機(jī)牽引速度一般為7～8m/min，且進(jìn)刀為0.5m，加上采高為2.40m，在短時(shí)間內(nèi)大量煤炭被開采出來(lái)，綜采面日產(chǎn)量最高時(shí)為4561t，由于煤體中原始瓦斯含量為5.8m3/t，因此暴露的煤壁和采落的煤炭逸散的瓦斯成為綜采面瓦斯的主要來(lái)源。由于采用機(jī)械化采煤法對(duì)3372東上工作面上覆巖層造成的破壞較大，且在推進(jìn)過程中有大量遺煤，而上覆巖層中的6號(hào)煤層雖厚度較小，但煤層原始瓦斯含量不低，故采空區(qū)的遺煤散發(fā)的瓦斯和上鄰近層涌出的瓦斯也是3372東上工作面瓦斯來(lái)源的重要組成部分。由于保護(hù)煤柱的隔離，在3372東上工作面西部的3237工作面和在其上部的2372工作面，其采空區(qū)內(nèi)的瓦斯涌入到3372東上工作面很少，可以忽略不計(jì)。

2.2　綜采面瓦斯積聚的原因分析

3372東上工作面瓦斯積聚是開采方法、煤層傾角、通風(fēng)方式共同作用的結(jié)果。由于采用綜合機(jī)械化采煤法，在開采出大量煤炭的同時(shí)也伴隨著大量瓦斯的涌出，在U型通風(fēng)的作用下，大部分瓦斯隨風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入回風(fēng)巷，由于瓦斯密度比空氣小且煤層傾角較大，在瓦斯?jié)舛忍荻鹊淖饔孟拢殡S著煤層開采，產(chǎn)生的高濃度瓦斯向采空區(qū)低瓦斯方向流動(dòng)，沿著煤層頂板進(jìn)入采空區(qū)上部，漏入采空區(qū)的風(fēng)流把采空區(qū)的高濃度瓦斯帶回工作面和主風(fēng)流在上隅角處匯合，由于回風(fēng)流處風(fēng)流較小且局部處于渦流狀態(tài)，不利于瓦斯的排出，從而造成瓦斯在上隅角處積聚[7-8]。采空區(qū)中后部的遺煤散發(fā)的瓦斯在瓦斯浮力作用下部分隨風(fēng)流進(jìn)入回風(fēng)流，大部分在采空區(qū)上部積聚，而上鄰近層涌出的瓦斯通過裂縫帶也積聚在采空區(qū)上部。3372東上工作面采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)見圖2。

圖2　3372東上工作面采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)

3綜采面瓦斯防治技術(shù)

針對(duì)3372東上工作面大傾角綜采面的實(shí)際地質(zhì)條件，通過分析3372東上工作面瓦斯來(lái)源和探討瓦斯積聚的原因，提出對(duì)角埋管抽放、高位鉆孔抽放的瓦斯防治技術(shù)。

3.1　對(duì)角埋管抽放技術(shù)

在3372東上工作面開切眼的回風(fēng)巷側(cè)開挖斜巷，使其與12東2石門相連，并埋入2條長(zhǎng)76m直徑為159mm的鐵管(鐵管上均勻布滿小孔)，其他瓦斯抽放管是同樣直徑的PE瓦斯抽放管。當(dāng)安放好瓦斯抽放管后將斜巷封閉，在回風(fēng)巷保護(hù)煤柱側(cè)采空區(qū)內(nèi)埋入長(zhǎng)5m直徑為159mm的鐵管，鐵管通過軟管和瓦斯抽放管連接起來(lái)，瓦斯抽放管上每隔一定距離安裝一組除塵箱和放水器，每隔一定時(shí)間清理除塵箱內(nèi)的煤塵，用7.5kW的絞車通過鋼絲來(lái)移動(dòng)回風(fēng)巷里的鐵管，確保鐵管達(dá)到理想的抽放效果。瓦斯抽放管與放在12東2石門和3石門之間的瓦斯移動(dòng)抽放泵站系統(tǒng)中的雙電源水環(huán)式2BEA-253真空泵相連，瓦斯移動(dòng)抽放泵站系統(tǒng)位于連接12水平東翼回風(fēng)大巷和巖石運(yùn)輸大巷的聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)。3372東上工作面對(duì)角埋管瓦斯泵站、管路布置見圖3。

圖3　3372東上工作面對(duì)角埋管瓦斯泵站、管路布置

采用對(duì)角埋管抽放技術(shù)治理上隅角瓦斯，改變了采空區(qū)正常風(fēng)流方向與流量。為了預(yù)防采空區(qū)煤自燃，根據(jù)礦井實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用預(yù)防性黃泥灌漿，隨著采煤工作面向前推進(jìn)，隨采隨灌漿。灌漿用水采用經(jīng)處理后的井下排水或生活污水等。

3.2　高位鉆孔抽放技術(shù)

3.2.1高位鉆孔瓦斯抽放機(jī)理分析

隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上方上覆巖層的原巖應(yīng)力平衡遭到破壞，重新達(dá)到穩(wěn)定的過程中在垂直方向和水平方向上分別形成“豎三帶”、“橫三區(qū)”，穿層裂隙與離層裂隙這兩種主要裂隙也是在此期間形成。因巖層的厚度及巖性的不同而產(chǎn)生的非均勻下降是離層裂隙形成的主要原因，上覆巖層的彎曲、變形、破壞是形成穿層裂隙的主要原因，這兩種裂隙在“豎三帶”的裂隙帶中表現(xiàn)最為明顯。由于保護(hù)煤柱和冒落巖石的作用，在裂隙帶下部中的離層區(qū)因受支撐而長(zhǎng)期存在，離層區(qū)和工作面在采空區(qū)上方形成“O”形圈。

受采動(dòng)影響而產(chǎn)生的上鄰近層中的卸壓瓦斯由于瓦斯梯度壓力作用進(jìn)入裂隙帶中的“O”形圈，采空區(qū)遺煤產(chǎn)生的瓦斯在瓦斯浮力的作用下進(jìn)入“O”形圈，這樣“O”形圈為瓦斯流動(dòng)、存儲(chǔ)分別提供了通道和空間。因此高位鉆孔瓦斯抽放就是把抽放鉆孔末端布置在“O”形圈中，利用抽放負(fù)壓把瓦斯提前抽出來(lái)，防止瓦斯進(jìn)入工作面[9-10]。

3.2.2高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)

在3372東上工作面開切眼以東100m處垂直于回風(fēng)巷開挖第一個(gè)瓦斯抽放鉆場(chǎng)，然后往上山方向每隔50m開挖一個(gè)鉆場(chǎng)，在回風(fēng)巷共計(jì)有11個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)深為5m，斷面大小為7m2，用鉆機(jī)在鉆場(chǎng)內(nèi)施工深度為70～75m的4個(gè)高位瓦斯抽放鉆孔。為了確保抽放的連續(xù)性每2個(gè)鉆孔交叉20m，高位鉆孔用軟管和回風(fēng)巷內(nèi)的PE瓦斯抽放管連接。結(jié)合3372東上工作面上覆巖層的巖性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式知該面垮落帶最大高度在8.13m左右，裂縫帶最大高度在32.89m左右。由于工作面上方各部分巖性不同，為了取得較好的抽放效果，高位鉆孔在水平方向上距回風(fēng)巷為15～20m，鉆孔末端在垂直方向上在頂板裂縫帶內(nèi)10～15m之間，4個(gè)高位瓦斯抽放鉆孔的孔徑和封孔段長(zhǎng)度分別為89mm，108mm，封孔深度為6～8m。封孔用的材料是水泥砂漿，高位鉆孔抽放管最終連接到12東2石門和3石門之間的瓦斯移動(dòng)抽放泵站系統(tǒng)上，3372東上工作面鉆場(chǎng)、鉆孔布置圖見圖4。

圖4　3372東上工作面鉆場(chǎng)、鉆孔布置

4瓦斯治理效果分析

在回風(fēng)巷的埋管和斜巷內(nèi)封閉的2條瓦斯抽放管，使采空區(qū)下部瓦斯的流動(dòng)呈現(xiàn)Y型通風(fēng)的流動(dòng)效果。在開采初期，由于是2條瓦斯抽放管路抽放上隅角瓦斯，瓦斯抽放純量平均達(dá)到3.5m3/min，對(duì)上隅角及開切眼區(qū)域的瓦斯治理效果明顯；隨著工作面向前推進(jìn)至40m左右時(shí)，高位瓦斯抽放鉆孔開始發(fā)揮作用，在高位鉆孔抽放穩(wěn)定的過程中，瓦斯抽放管內(nèi)混合瓦斯?jié)舛仍?8%～23%之間，純瓦斯流量最高時(shí)達(dá)到5.2m3/min。瓦斯防治技術(shù)在3372東上工作面實(shí)施后，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛茸罡邥r(shí)僅為0.5%，瓦斯治理效果明顯。

5結(jié)論

(1)結(jié)合3372東上工作面的實(shí)際地質(zhì)條件，通過分析瓦斯來(lái)源和探討瓦斯積聚的原因，得出3372東上工作面上隅角附近是瓦斯治理的重點(diǎn)區(qū)域。

(2)在斜巷和回風(fēng)巷內(nèi)埋的2條瓦斯抽放管，在上隅角瓦斯的治理中發(fā)揮重要作用，使上隅角下部的瓦斯流動(dòng)呈現(xiàn)Y型通風(fēng)的流動(dòng)效果。

(3)采用對(duì)角埋管抽放、高位鉆孔抽放瓦斯治理技術(shù)，在3372東上工作面正常推進(jìn)的過程中，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛茸罡邥r(shí)僅為0.5%，有效控制了工作面的高濃度瓦斯。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

[作者簡(jiǎn)介]許華威(1990-)，男，河南周口人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)榈V山壓力與巖層控制。

[收稿日期]2015-01-04

[中圖分類號(hào)]TD712.6

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)05-0074-03