趙忠賢

(河南能源新疆公司拜城縣眾維煤業(yè)有限公司, 新疆 阿克蘇市 842300)

我國(guó)高瓦斯礦井分布較為廣泛,在回采過程中經(jīng)常發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象,影響正常作業(yè),嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)瓦斯爆炸等事故,造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失[1-3]。國(guó)內(nèi)研究人員針對(duì)瓦斯抽采問題進(jìn)行了大量研究,取得了許多成果:喬權(quán)偉[4]為解決王村礦瓦斯涌出超限問題,采用采前預(yù)抽、邊采邊抽及裂隙區(qū)域聯(lián)合抽采等綜合治理方案,取得了良好抽采效果;焦向東[5]針對(duì)平煤八礦低透氣性煤層,通過穿層鉆孔預(yù)抽,再施工本煤層瓦斯抽采鉆孔,提高了抽采效率;魏秀軍[6]為解決新景公司采空區(qū)瓦斯涌入問題,采用高抽巷及采空區(qū)瓦斯鉆孔等手段,顯著減少了工作面瓦斯涌入量。上述研究多側(cè)重于瓦斯涌出量大及煤層透氣性低的條件,而對(duì)于低解吸厚煤層的瓦斯治理方法研究較少。

新疆庫拜煤田眾維煤業(yè)屬高瓦斯礦井,其主采Ⅳ13煤層為低解吸厚煤層,瓦斯治理難度較大。為實(shí)現(xiàn)Ⅳ13煤層的高效抽采,本文結(jié)合礦井生產(chǎn)條件,設(shè)計(jì)了一套瓦斯綜合抽采方法,為礦井的安全生產(chǎn)提供保障,并為庫拜煤田的瓦斯治理提供有益思路。

1 工程概況

拜城縣眾維煤業(yè)有限公司主采Ⅳ13煤層,煤層厚度1．78~10．92 m,平均4．92 m,煤層傾角26°~32°,頂板一般為含炭泥質(zhì)粉砂巖,含炭粉質(zhì)泥巖、巖質(zhì)泥巖,厚度2．91 m,頂?shù)装鍘r性基本相同。進(jìn)行瓦斯治理的區(qū)域主要為＋2193 m水平以下三采區(qū),實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力峰值0．34 MPa,瓦斯含量平均8．75 m3/t,最大瓦斯含量13．04 m3/t。煤層透氣性系數(shù)0．4986~3．957 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0．039~0．127 d-1,超前鉆孔有效排放半徑0．5~1 m。三采區(qū)瓦斯含量等值線分布見圖1。

該礦主要面臨有兩大技術(shù)難題:一是煤層厚度、傾角變化大,地質(zhì)條件復(fù)雜,開采難度高;二是煤層瓦斯含量高、吸附瓦斯含量大,抽采作業(yè)困難。為解決該復(fù)雜地質(zhì)條件下的瓦斯治理問題,需因地制宜設(shè)計(jì)一套瓦斯治理實(shí)際的抽采技術(shù)。

圖1 三采區(qū)瓦斯含量等值線分布

2 瓦斯治理實(shí)施方案

根據(jù)抽采位置的不同,現(xiàn)有瓦斯抽采技術(shù)主要?jiǎng)澐譃樗念?其中本煤層抽采主要用于高瓦斯煤層情況,鄰近層抽采主要針對(duì)鄰近層瓦斯涌出量大,影響開采安全的條件,采空區(qū)抽采主要應(yīng)用于無自燃危險(xiǎn)的煤層,圍巖抽采主要針對(duì)圍巖瓦斯涌出量大或有封存高壓瓦斯的情形。

通過對(duì)比分析現(xiàn)有的技術(shù),結(jié)合眾維煤業(yè)的地質(zhì)條件,確定將多種方法有機(jī)結(jié)合,提出一種瓦斯綜合抽采技術(shù)作為其瓦斯治理方案,其方法是:掘進(jìn)工作面結(jié)合預(yù)抽和邊掘邊抽;回采工作面應(yīng)用預(yù)抽和邊采邊抽;采空區(qū)采用高位鉆孔抽采和埋管抽采。

2．1 掘進(jìn)工作面瓦斯治理

工作面掘進(jìn)時(shí),兩幫產(chǎn)生2條卸壓條帶,內(nèi)部空隙裂隙發(fā)育,瓦斯易于擴(kuò)散,因此在該部分布置預(yù)抽和邊掘邊抽鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采。

預(yù)抽是指在掘進(jìn)工作面掘進(jìn)前,向前方煤體施以扇形鉆孔抽采瓦斯的舉措,鉆孔布置如圖2所示。鉆孔超出上幫范圍外20 m,下幫范圍外10 m,通過測(cè)得的有效抽采半徑,確定預(yù)抽鉆孔終孔間距為2~5 m。鉆孔長(zhǎng)度60~100 m,保證預(yù)抽鉆孔超前距要大于20 m。孔徑Φ75 mm,為保證抽采效果,封孔深度大于12 m。

圖2 掘進(jìn)工作面預(yù)抽鉆孔布置平面圖

在進(jìn)行預(yù)抽之后,掘進(jìn)工作面邊掘邊進(jìn)行瓦斯抽采,同樣在巷道兩側(cè)卸壓區(qū)布置鉆孔,以提高抽采效率[7-8]。在掘進(jìn)工作面后方兩側(cè)各施工一個(gè)鉆場(chǎng),長(zhǎng)×寬×高為4 m×3 m×2．4 m,同側(cè)相鄰2個(gè)鉆場(chǎng)的間距50 m,鉆孔孔徑75 mm,有10~15 m超前距,鉆孔分布于左右兩幫各15 m的煤體內(nèi),鉆孔與水平面夾角與煤層傾角相同,具體布置情況見圖3。

圖3 掘進(jìn)工作面邊掘邊抽鉆孔布置示意

2．2 回采工作面瓦斯治理

根據(jù)煤層賦存情況及巷道布置,從回采工作面兩翼回采巷道向煤層施工順層鉆孔,既可以作為工作面回采前的預(yù)抽鉆孔,也可以在工作面回采至鉆孔前方時(shí)作卸壓瓦斯鉆孔,一孔多用,可以提高瓦斯抽采量及減少鉆孔成本[9-10]。

回采工作面瓦斯抽采鉆孔分布于上下回采巷道,各為兩排,傾角按煤層傾角設(shè)計(jì),運(yùn)輸平巷開孔高度設(shè)計(jì)為0．4 m和0．8 m,回風(fēng)平巷開孔高度設(shè)計(jì)為0．8 m和1．2 m。由于下向鉆孔施工比較困難,運(yùn)輸平巷鉆孔長(zhǎng)度略短一些,設(shè)計(jì)為70 m;回風(fēng)平巷施工上向鉆孔,鉆孔長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為100 m,鉆孔分布情況如圖4所示。根據(jù)三采區(qū)掘進(jìn)工作面抽采情況對(duì)回采工作面鉆孔進(jìn)行調(diào)整,每排預(yù)抽鉆孔間距暫設(shè)計(jì)為5 m。鉆孔直徑為75 mm,可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增大鉆孔直徑。

圖4 1301采煤工作面順層抽采鉆孔布置示意

2．3 采空區(qū)瓦斯治理

當(dāng)工作面開采距離較大時(shí),其后方采空區(qū)上部垮落的巖層逐漸壓實(shí)趨于密閉,但在采空區(qū)周邊形成一個(gè)透氣性能較好,且瓦斯聚集的類似“O”型的裂隙發(fā)育帶[11-13]。針對(duì)采空區(qū)后方的“O型圈”,可以采用高位鉆孔抽采和采空區(qū)埋管抽采2種方法來并行處理采空區(qū)瓦斯。

由于采動(dòng)引起的頂板裂隙發(fā)育,使得頂板上方瓦斯聚集,因此采用高位鉆孔從回風(fēng)平巷內(nèi)向煤層頂板施工鉆孔以抽采瓦斯[14-15]。具體實(shí)施參數(shù)為:在工作面前方回風(fēng)平巷內(nèi)迎工作面向頂板呈扇形施工5個(gè)孔深為100 m左右的高位鉆孔,鉆孔傾角按32°~38°布置,為使鉆孔能夠有效抽采瓦斯,終孔點(diǎn)需在煤層頂板裂隙內(nèi),沿傾向距離回風(fēng)巷25 m,合理封孔深度為5~6 m;鉆場(chǎng)沿回風(fēng)巷巷幫布置,每隔50 m一個(gè),長(zhǎng)4 m,寬3 m,高2．4 m,采用錨網(wǎng)支護(hù);每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置5個(gè)鉆孔,呈扇形布置,見圖5。

圖5 高位鉆孔抽采瓦斯方法示意

采空區(qū)埋管抽采是指在工作面采空區(qū)鋪設(shè)瓦斯抽采管道以抽采采空區(qū)瓦斯的措施[16-17],具體是指在回風(fēng)巷道沿底板鋪設(shè)一趟瓦斯抽采管道,在距工作面切眼80 m左右處將其抬高至巷道頂部,并在巷道頂部分叉為4趟鋼管。4趟抽采管道的管口依次相距3~5 m,抽采管口采用篩網(wǎng)進(jìn)行保護(hù),抽采管道采用沙袋墻進(jìn)行保護(hù)。分叉管路和總管路各有單獨(dú)的閥門控制,以便管路適時(shí)開合。1,2,3,4號(hào)抽采管道埋管口分別布置在采空區(qū)9~15,6~10,3~5,1 m深度處,具體布置如圖6所示。當(dāng)工作面推進(jìn)至2號(hào)抽采管道管口附近時(shí),關(guān)閉1號(hào)管道閥門,并在上隅角卸掉1號(hào)管道,以此類推循環(huán)前進(jìn)。

圖6 采空區(qū)埋管抽采方法平面布置

3 瓦斯治理效果分析

3．1 鉆孔瓦斯?jié)舛确治?/h3>

以11號(hào)鉆場(chǎng)為例,通過瓦斯?jié)舛葘?shí)測(cè)發(fā)現(xiàn),初始瓦斯?jié)舛绕毡檫_(dá)到40%以上,個(gè)別鉆孔甚至能夠達(dá)到70%。鉆孔瓦斯?jié)舛入S時(shí)間增長(zhǎng)呈遞減趨勢(shì),開始抽采15 d內(nèi)瓦斯?jié)舛饶軌虮３衷谳^高狀態(tài),超過15 d后逐步衰減,但在45 d內(nèi)鉆孔瓦斯?jié)舛绕毡楸３衷?0%以上。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)充分表明,現(xiàn)采用的瓦斯抽采鉆孔布置合理,進(jìn)行瓦斯抽采措施時(shí),鉆孔瓦斯?jié)舛容^高,達(dá)到了預(yù)期的抽采效果。

3．2 掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛确治?/h3>

1301下順掘進(jìn)工作面未采取瓦斯抽采措施,1301上順反掘工作面和1301下順反掘工作面實(shí)施瓦斯抽采。由于1301下順掘進(jìn)工作面未實(shí)施瓦斯抽采,當(dāng)其進(jìn)行正常的超前鉆探作業(yè),探測(cè)鉆孔進(jìn)入瓦斯異常帶內(nèi)時(shí),大量的瓦斯從鉆孔涌出到工作面,造成瓦斯?jié)舛瘸?而實(shí)施瓦斯抽采措施的1301上順反掘工作面和1301下順反掘工作面瓦斯的濃度均小于0．01%?？梢?實(shí)施瓦斯抽采措施后,工作面瓦斯涌出量顯著減少,得到了有效治理,瓦斯涌出控制在安全的范圍之內(nèi),為礦井安全生產(chǎn)提供了一定的基礎(chǔ)。

3．3 掘進(jìn)速度分析

由于掘進(jìn)工作面采取瓦斯抽采措施,瓦斯超限現(xiàn)象大幅減少,瓦斯對(duì)工作面掘進(jìn)速度的影響顯著下降,使得工作面月掘進(jìn)速度從50 m左右提高到100 m左右,掘進(jìn)速度提高一倍。之后又針對(duì)掘進(jìn)工作面產(chǎn)生瓦斯超限現(xiàn)場(chǎng)及其原因進(jìn)行分析,進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)瓦斯抽采參數(shù),實(shí)施了優(yōu)化瓦斯抽采措施之后,掘進(jìn)速度由原來的100 m/月提高到150 m/月。由此可見,實(shí)施優(yōu)化后瓦斯抽采措施的抽采效果十分明顯,滿足了安全、快速、高效的掘進(jìn)要求。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)新疆庫拜煤田眾維煤業(yè)高瓦斯、低解吸、厚煤層的情況,設(shè)計(jì)了一套瓦斯綜合抽采方法,即掘進(jìn)工作面采用掘進(jìn)預(yù)抽和邊掘邊抽;回采工作面采用采前預(yù)抽和邊采邊抽;采空區(qū)瓦斯抽采采用高位鉆孔抽采和埋管抽采。

(2)應(yīng)用該瓦斯綜合抽采方法,瓦斯治理取得了明顯的效果:鉆孔瓦斯?jié)舛绕毡楸３衷?0%以上,鉆孔瓦斯?jié)舛容^高,達(dá)到了預(yù)期抽采效果;掘進(jìn)工作面瓦斯?jié)舛葻o超標(biāo)現(xiàn)象,瓦斯涌出控制在安全的范圍之內(nèi);掘進(jìn)速度顯著提高,由原來的50 m/月提高到150 m/月。