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        辛置煤礦2-2-559綜采面初期瓦斯與煤塵治理研究

        2021-03-02 06:13:18董林超
        采礦技術(shù) 2021年1期

        董林超

        (霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦, 山西 霍州市 031412)

        0 概況

        辛置煤礦自 1952年建井以來,經(jīng)山西省能源局認(rèn)定核準(zhǔn)的生產(chǎn)能力為280萬t/a,現(xiàn)主采2#、10#、11#等煤層。其中+450 m水平位于2#煤層,煤層埋深+306 m~+370 m,走向較為平緩,傾角約為5°,平均厚度為3.75 m。工作面南部為310回風(fēng)巷、310皮帶巷及310軌道巷,西部為采區(qū)回風(fēng)井與工業(yè)廣場保護(hù)煤柱。受成煤地質(zhì)因素影響,煤層透氣性較差,回采中相對瓦斯涌出量高達(dá)10.3 m3/t,瓦斯已經(jīng)成為綜采面安全生產(chǎn)的巨大隱患。

        2-2 -559 綜采面所屬煤層整體為單斜構(gòu)造,單斜軸N13°W,工作面共存在10條斷層,有2條橫穿工作面,落差大于等于4 m的斷層存在6條,對安全回采影響較大。2-2-559綜采面走向平均長度為760 m,傾斜長度為131 m,總綜采面積為99 560 m2。采面的直接頂、老頂由砂質(zhì)泥巖、砂巖組成,老頂來壓強(qiáng)度、步距較為穩(wěn)定,因此采用全部垮落法控制巖層坡段,其采面布置如圖1所示。

        1 綜采面瓦斯來源與通風(fēng)方案現(xiàn)狀

        1.1 綜采面內(nèi)瓦斯涌出現(xiàn)狀

        2-2 -559 綜采面初期采用“U型通風(fēng)+采煤機(jī)噴霧+轉(zhuǎn)載點噴霧”的常規(guī)手段控制瓦斯超限和煤塵污染難題。新鮮風(fēng)流由2-2-559皮帶巷向回風(fēng)平巷內(nèi)流動。在綜采面停采期間,采面配風(fēng)量為 1360 m3/min,風(fēng)速為3.53 m3/s,工作面瓦斯平均濃度在0.2%~0.31%之間變化。當(dāng)綜采面推進(jìn)至斷層帶或老頂來壓時,瓦斯?jié)舛壬仙?.4%~0.6%,達(dá)到生產(chǎn)所限定的瓦斯極限濃度,影響后續(xù)安全作業(yè)。

        依據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》所規(guī)定的分源預(yù)測法[1-3]對 2#煤層回采期間的瓦斯涌出量情況進(jìn)行預(yù)測,其預(yù)測結(jié)果表明:開采煤層內(nèi)地質(zhì)條件多變,在通風(fēng)困難時期,開采動壓所形成的卸壓區(qū)域和斷層裂隙貫通至臨近煤層,迫使2-2-559綜采面污風(fēng)內(nèi)瓦斯含量突增。除此以外,在工作面回采初期,尚未開展采空區(qū)密閉與抽采作業(yè),使得采空區(qū)內(nèi)瓦斯無法充分釋放,這也是工作面內(nèi)瓦斯超限的原因之一。因此,為治理2-2-559工作面瓦斯超限問題,在經(jīng)收集多方實驗效果后,后期決定采用“順層鉆孔負(fù)壓抽采+底抽巷穿層鉆孔抽采+采空區(qū)埋管”等綜合治理瓦斯措施。

        圖1 2-2-559綜采面平巷布置

        1.2 綜采面瓦斯來源與治理措施

        1.2.1 順層鉆孔負(fù)壓預(yù)抽瓦斯

        由于辛置煤礦2#煤層內(nèi)瓦斯賦存含量較高,煤層透氣性又遠(yuǎn)低于一水平煤層。為防止2-2-559經(jīng)綜采面回采期間出現(xiàn)瓦斯涌出風(fēng)險,向開采煤層開鑿順層鉆孔并實施負(fù)壓抽采,達(dá)到提前降低瓦斯壓力的目的。根據(jù)煤層實際地質(zhì)情況,鉆孔布置在進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)平巷內(nèi),采用“兩堵一注”的方式進(jìn)行封孔作業(yè)[4],鉆孔參數(shù)和封孔工藝見表1。

        表1 鉆孔參數(shù)與封孔工藝

        1.2.2 底抽巷抽采卸壓瓦斯

        當(dāng)2-2-559綜采面向上山方向推進(jìn),受上覆巖層周期性垮落影響,在煤層頂板上方形成頂板冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[5],形成范圍較大的瓦斯卸壓區(qū)。因此,額外開掘底抽巷,并將抽采鉆孔布置在裂隙帶內(nèi),也可達(dá)到抽采卸壓區(qū)瓦斯的目的。在辛置煤礦,將底抽巷布置在2-2-559綜采面底板內(nèi),沿底抽巷頂板方向開掘穿層、扇形鉆孔,達(dá)到抽采卸壓區(qū)瓦斯的目的,底抽巷參數(shù)見表2。

        表2 底抽巷參數(shù)

        1.2.3 采空區(qū)埋管和密閉治理瓦斯

        為治理垮落煤層釋放瓦斯,在采空區(qū)中,提前埋設(shè)抽采管路,從而防止上隅角處瓦斯?jié)舛瘸?。在埋管措施中,沿平巷非開采幫布置1排直徑250 mm的負(fù)壓抽采管路,管路每間隔20 m設(shè)有三通閥和邁步管。當(dāng)頂板垮落后,自然埋入采空區(qū)內(nèi)。除上述措施外,還使用擋風(fēng)簾和密閉墻對瓦斯進(jìn)行遮擋,以增大采空區(qū)瓦斯擴(kuò)散阻力。最后,所抽采瓦斯經(jīng)管路排放至地面抽采站。

        2 綜采面內(nèi)瓦斯治理效果

        2.1 順層鉆孔抽采瓦斯情況

        為考察順層鉆孔抽采瓦斯效果,分別采集了2-2-559綜采面進(jìn)、回風(fēng)平巷鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群土髁?,不同抽采時間下瓦斯流量與濃度效果如圖2所示。

        圖2 進(jìn)、回風(fēng)平巷內(nèi)瓦斯數(shù)據(jù)

        如圖2(a)所示,在綜采面推進(jìn)期間,進(jìn)風(fēng)巷順層鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?12%~33.2%之間變化,瓦斯平均濃度為25.72%。鉆孔內(nèi)瓦斯流量約為1.068 m3/min~8.96 m3/min,平均流量約為4.25 m3/min。圖2(b)中,回風(fēng)平巷內(nèi)鉆孔瓦斯?jié)舛仍?3.2%~33.6%之間變化,平均濃度為18.52%,瓦斯平均流量為3.12 m3/min。使得鉆孔的提前施工和抽采時間對局部、異常高瓦斯賦存治理有較好效果。在綜采面回采前,取樣測試殘余瓦斯含量,從16.7 m3/t降低至 5.78 m3/t,對保護(hù)人員和安全回采起到重要作用。

        2.2 底抽巷內(nèi)瓦斯抽采效果

        為考察穿層鉆孔抽采效果,自2017年1月起底抽巷開始使用,穿層鉆孔內(nèi)瓦斯流量與濃度變化如圖3所示。

        圖3 底抽巷內(nèi)瓦斯數(shù)據(jù)

        自2-2-559綜采面開始回采,在穿層鉆孔瓦斯統(tǒng)計數(shù)據(jù)中,瓦斯變化趨勢與順層鉆孔內(nèi)瓦斯有明顯不同。在抽采初期,煤層內(nèi)推進(jìn)距離較短,上覆巖層頂板垮落范圍較小,最終導(dǎo)致頂板巖層卸壓效果較差。此時,底抽巷內(nèi)瓦斯?jié)舛葍H為 6%,瓦斯純流量為16 m3/min。當(dāng)工作面推進(jìn)距離超過200 m后,伴隨老頂?shù)闹芷谛钥迓洌陧敯迮c穿層鉆孔內(nèi)形成良好的裂隙通道。此時,穿層鉆孔逐漸進(jìn)入高效抽采階段,使得臨近采煤空間內(nèi)剩余瓦斯快速向穿層鉆孔內(nèi)流動,促使鉆孔內(nèi)抽采瓦斯含量快速增加,瓦斯?jié)舛扰c流量分別穩(wěn)定在18%和26 m3/min。由此可見,底抽巷對防治臨近層瓦斯和向采空區(qū)內(nèi)瓦斯匯集有較好效果。

        2.3 采空區(qū)埋管和密閉抽采效果

        采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)管路內(nèi)瓦斯含量的統(tǒng)計如圖4所示。

        圖4 采空區(qū)埋管內(nèi)瓦斯數(shù)據(jù)

        由圖4可知,隨著上覆巖層的不斷破壞,采空區(qū)埋設(shè)管路內(nèi)瓦斯?jié)舛扰c流量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到峰值后,逐漸趨于穩(wěn)定。采空區(qū)內(nèi)瓦斯匯集主要是由遺落散煤所釋放,因此,在抽采初期,瓦斯?jié)舛扰c流量明顯低于其他措施。當(dāng)回采進(jìn)入老頂穩(wěn)定來壓階段后,采空區(qū)內(nèi)散落煤炭量與臨近空間內(nèi)瓦斯的提高,需額外開展密閉作業(yè),封堵瓦斯向綜采面擴(kuò)散來源。整個抽采期間,采空區(qū)埋管抽采瓦斯?jié)舛?.2%~0.5%之間,平均為0.3%。

        當(dāng)辛置煤礦采用瓦斯綜合治理方式后,工作面煤炭產(chǎn)量顯著提高。以2-2-559綜采面回采效率提高5%(300個工作日)計算,則綜采面年產(chǎn)可增加煤炭產(chǎn)量1.8萬t。采用綜合瓦斯治理方式后,可明顯提高企業(yè)的生產(chǎn)效益。

        3 結(jié)論

        (1)根據(jù)辛置煤礦 2-2-559綜采面地質(zhì)賦存情況,在已有瓦斯治理措施基礎(chǔ)上,通過井下綜采面瓦斯綜合措施的聯(lián)合應(yīng)用,提高了煤層內(nèi)瓦斯治理效果,減少了工作面處瓦斯超限威脅,提高了煤炭資源回采率。

        (2)辛置煤礦在綜采面初期通過負(fù)壓鉆孔抽采、采空區(qū)埋設(shè)管路和密閉抽采的方法,達(dá)到了提高抽采瓦斯?jié)舛扰c流量的目的。煤層內(nèi)初始瓦斯含量已由17.5 m3/t降低至6.85 m3/t;底抽巷平均抽采瓦斯?jié)舛葹?7.21%,平均流量為39.74 m3/min;采空區(qū)埋管平均抽采瓦斯?jié)舛葹?.23%,平均純流量為0.54 m3/min,瓦斯抽采效果明顯。

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