張 猛
(霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦,山西 霍州 031412)
礦井瓦斯是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一,瓦斯事故往往會(huì)造成人員傷亡慘重,同時(shí)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1]?,F(xiàn)階段,煤礦瓦斯防治的主要方法有通風(fēng)稀釋瓦斯或煤層預(yù)抽瓦斯后再通風(fēng)稀釋瓦斯,實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)過程中瓦斯?jié)舛鹊哪康模瑫r(shí)加強(qiáng)生產(chǎn)管理中的瓦斯災(zāi)害預(yù)防[2-5]。但從實(shí)踐來看,通風(fēng)稀釋瓦斯的方法無法有效實(shí)現(xiàn)瓦斯治理要求,因此,采用煤層瓦斯預(yù)抽來降低煤層瓦斯含量,變有害氣體為清潔能源,值得推廣使用[6-8]。本文以辛置煤礦2號(hào)煤層為研究對(duì)象,探究本煤層瓦斯治理技術(shù)應(yīng)用效果。
辛置礦為瓦斯礦井,位于臨汾地區(qū)霍州市,井田面積110.84km2,地勢(shì)上呈現(xiàn)為北高南低,由東向西傾斜,最低點(diǎn)位于西界中段溝谷中,地面最低標(biāo)高為572.8m,最高點(diǎn)位于區(qū)東南角的山梁,最高標(biāo)高為1090.0m,相對(duì)高差517.2m。
井田主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組,平均地層厚達(dá)120.70m,含煤14層,平均總厚12.12m,含煤系數(shù)10.0%,采深120~580m。2#、9#、10#、11#煤層為穩(wěn)定可采煤層,總厚平均達(dá)到7.62m,可采系數(shù)為6.3%。2016年瓦斯等級(jí)鑒定礦井絕對(duì)涌出量為14.81m3/min。
采用分源預(yù)測(cè)法對(duì)2-109工作面的瓦斯涌出進(jìn)行預(yù)測(cè),工作面瓦斯涌出來源主要有開采的2#煤層、鄰近煤層(含不可以采煤層及圍巖)以及回采完畢的采空區(qū)。具體的2-109回采工作面瓦斯涌出來源如表1所示。
開采煤層2號(hào)煤層位于山西組中部,2-109工作面位于310水平。2號(hào)煤層煤質(zhì)主要為肥煤,同時(shí)含有少量的焦煤,煤層瓦斯壓力為0.38MPa,瓦斯含量為3.82m3/t,透氣性系數(shù)0.35m2/MPa2·d。2-109工作面設(shè)計(jì)走向長度為1413m,斜長為130m,2號(hào)煤層平均厚度3.85m,采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤法,全部垮落法管理頂板,金屬支架支護(hù)。頂?shù)装鍘r性如表2所示。
表1 2-109回采工作面瓦斯涌出來源
表2 頂?shù)装鍘r性
2-109工作面瓦斯涌出量并不高,瓦斯治理方案以瓦斯抽采為主,加強(qiáng)通風(fēng)管理為輔。瓦斯抽采系統(tǒng)主要由順層鉆孔抽采和采空區(qū)埋管抽采組成。
抽采半徑對(duì)瓦斯抽采效果影響較大,具體通過以下公式反映。
式中:
Qt-單孔瓦斯抽采量
Qt= 0.42×qt×1440min×180=1088.64m3;
qt-百米鉆孔抽放量,2-109(A)工作面取0.01m3/min;
η-鉆孔抽放影響范圍內(nèi)的瓦斯抽放率,%;
L-鉆孔長度,m;
M-煤層平均厚度,m;
D-抽采半徑,m;
γ-煤的平均容量,t/m3;
X-煤層瓦斯含量,m3/t。
據(jù)此得出不同抽采半徑下的瓦斯抽放率見表3。
根據(jù)AQ1026-2006標(biāo)準(zhǔn)要求,工作面抽采效率需滿足η≥20%條件,根據(jù)礦井實(shí)際,確定鉆孔間距為3~5m。
為保證抽采效果,確保抽采區(qū)域覆蓋整個(gè)回采工作面,設(shè)計(jì)2-109工作面本煤層瓦斯抽采鉆孔深度105m,從工作面進(jìn)風(fēng)巷施工鉆孔,鉆孔與工作面走向夾角成90°,仰角0°~11°,結(jié)合實(shí)際進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。鉆孔直徑75mm,鉆孔間距3~5m,成孔后全部封孔接抽,接入礦井瓦斯抽采系統(tǒng),具體鉆孔布置如圖1所示。
表3 不同抽采半徑下的瓦斯抽放率
圖1 順層抽采鉆孔布置示意圖
在井下采用高濃度瓦檢儀對(duì)瓦斯抽采鉆孔抽采濃度進(jìn)行采集。2017年6月期間,瓦斯抽采濃度最高為75%,最低為47%,瓦斯抽采純量最大為0.63m3/min,最小為0.32m3/min。具體瓦斯抽采情況如表4所示。從表中可以看出,回采工作面采用順層瓦斯抽采鉆孔瓦斯抽采效果明顯。
表4 本煤層瓦斯抽采情況
由分源預(yù)測(cè)法可知,采空區(qū)涌出的瓦斯占到2-109回采工作面瓦斯涌出的22.8%。為了有效治理回采工作面上隅角瓦斯問題,在2-109回采工作面推進(jìn)期間,布置2趟高、低負(fù)壓瓦斯抽采管。高負(fù)壓瓦斯抽采管采用Φ250mm的無縫鋼管,抽采負(fù)壓設(shè)定為10kPa,深入采空區(qū)約25m,攔截采空區(qū)深部瓦斯;低負(fù)壓瓦斯抽采管采用Φ250mm的PVC管,抽采負(fù)壓設(shè)定為4kPa,深入采空區(qū)約3m,抽采涌向上隅角瓦斯。采空區(qū)埋管布置如圖2所示。
在回采工作面采空區(qū)采用埋管抽采瓦斯后,回采工作面上隅角瓦斯?jié)舛纫话阈∮?.26%,未出現(xiàn)過瓦斯超限的現(xiàn)象。根據(jù)6月份2-109回采工作面采空區(qū)瓦斯抽采數(shù)據(jù)可知,高負(fù)壓瓦斯抽采管路瓦斯抽采最高濃度達(dá)到56%,最低為47%,抽采混量達(dá)到23m3/min;低負(fù)壓瓦斯抽采管路最大瓦斯抽采濃度達(dá)到36%,最低為12%,抽采混量達(dá)到8m3/min。具體數(shù)據(jù)如表5所示。
圖2 采空區(qū)埋管抽采瓦斯示意圖
表5 采空區(qū)埋管瓦斯抽采情況
2-109回采工作面瓦斯抽采系統(tǒng)建立后,經(jīng)2.5個(gè)月抽采,采用DGC型瓦斯含量直接測(cè)定裝置,通過取樣對(duì)煤層瓦斯含量進(jìn)行測(cè)定。在已抽采區(qū)域隨機(jī)施工取樣鉆孔2個(gè),編號(hào)1#、2#,取樣2份,取樣鉆孔深度不小于30m。瓦斯含量測(cè)定鉆孔參數(shù)見表6。
表6 瓦斯含量測(cè)定鉆孔參數(shù)
經(jīng)過測(cè)定,煤層瓦斯含量分別為0.7m3/t、1.5m3/t,平均1.1m3/t,煤層瓦斯含量已降低至較小范圍,達(dá)到消除瓦斯隱患的目的,抽采效果良好。
根據(jù)分源預(yù)測(cè)法,對(duì)辛置礦2-109回采工作面瓦斯涌出進(jìn)行了預(yù)測(cè),并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果制定回采工作面瓦斯抽采措施,得出如下主要結(jié)論:
(1)根據(jù)回采工作面瓦斯涌出源,采取有針對(duì)性的瓦斯抽采措施能有效地減少工作面瓦斯涌出,保證回采工作的安全。
(2)針對(duì)回采工作面瓦斯涌出,采用順層長鉆孔、瓦斯抽采埋管等瓦斯抽采措施,實(shí)現(xiàn)了分源頭的瓦斯抽采,保證了抽采效果。
(3)經(jīng)2.5個(gè)月抽采,煤層瓦斯含量由3.82m3/t降低至1.1m3/t左右,達(dá)到了預(yù)期的抽采效果。