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        高位裂隙帶瓦斯預(yù)抽技術(shù)在回采工作面中的應(yīng)用

        2021-11-09 08:28:16楊鵬飛
        山東煤炭科技 2021年10期

        楊鵬飛

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全督察大隊(duì),山西 大同 037000)

        1 工作面概況

        王莊煤礦主采3#煤層,1301 綜采工作面位于王莊煤礦一采區(qū),工作面周邊無采空區(qū),工作面走向可采部分為切眼向外441 m,切眼長240 m,采煤工藝為綜采,頂板處理采用全部垮落法,工作面通風(fēng)方式為U 型通風(fēng)。根據(jù)礦井3#煤層瓦斯涌出量預(yù)測報告以及工作面實(shí)際情況可知,一采區(qū)范圍內(nèi)的最大瓦斯含量在11.95 m3/t 左右,1301 工作面回采期間的最大瓦斯涌出量可達(dá)14.81 m3/min,平均瓦斯涌出量在8.49 m3/min 左右。

        2 瓦斯地質(zhì)情況

        2.1 地質(zhì)情況

        1301 綜采工作面所在3#煤層屬二疊系下統(tǒng)山西組,最小煤厚4 m,最大煤厚4.4 m,均厚4.2 m,平均煤層傾角4°,煤體硬度系數(shù)在0.5~1.0 之間,煤層存在炭質(zhì)泥巖夾矸,夾矸均厚0.7 m。該煤層煤質(zhì)為貧煤,結(jié)構(gòu)較為單一,煤層厚度變化不大,賦存穩(wěn)定,煤體以塊、粒狀為主。煤層基本頂平均厚度為13 m,由砂巖和泥巖混合構(gòu)成,巖層內(nèi)裂隙發(fā)育;直接頂平均厚度為2.4 m,由砂質(zhì)泥巖構(gòu)成;偽頂平均厚度1.3 m,由泥巖構(gòu)成,易冒落。

        2.2 瓦斯賦存情況

        工作面所采3#煤層瓦斯透氣性系數(shù)大致為0.099 7 m2/MPa2·d,瓦斯放散初速度△p=13~19,瓦斯涌出衰減系數(shù)為0.563 9,百米鉆孔初始瓦斯涌出量為0.128 m3/min·hm,煤層孔隙率為2.0%~3.4%。經(jīng)測定,1301 綜采工作面煤層瓦斯含量為5.96~11.76 m3/t,瓦斯殘存含量2.74 m3/t,瓦斯最大壓力值為0.45 MPa,小于0.74 MPa。

        3 先期瓦斯治理措施及效果分析

        3.1 先期瓦斯治理措施

        1301 綜采工作面的先期瓦斯治理方式為本煤層順層鉆孔抽放與采空區(qū)埋管抽放。

        (1)本煤層順層鉆孔抽放。如圖1 所示,首先在1301 工作面瓦斯排抽巷和運(yùn)輸順槽交錯布置順層瓦斯抽放鉆孔,鉆孔距頂板1 m,垂直于巷幫,孔間距為5 m,孔深130 m。鉆孔施工完成后埋入抽放管,使用聚氨酯進(jìn)行封孔處理。然后在工作面切眼內(nèi)垂直于煤壁布置順層瓦斯抽采鉆孔一排,孔間距為2 m,孔深60 m。鉆孔施工完成后同樣埋入抽放管并進(jìn)行封孔。最終,將所有抽放管與一采區(qū)瓦斯抽放泵站的主管路連接,進(jìn)行工作面瓦斯預(yù)抽。

        圖1 1301 工作面順層瓦斯預(yù)抽鉆孔布置示意圖

        (2)采空區(qū)埋管瓦斯抽放。工作面在回采期間,在1301 瓦斯排抽巷安裝低負(fù)壓抽采管路一趟,管路采用阻燃材質(zhì)的PVC 管,直徑為150 mm,長度為50 m,共7 根。在抽采管路上安裝三通,接入抽采花管,三通安裝間隔為20 m。隨后將花管埋入采空區(qū)進(jìn)行瓦斯預(yù)抽,花管埋入長度應(yīng)大于30 m。

        3.2 效果分析

        對1301 工作面實(shí)施本煤層順層鉆孔瓦斯抽放及采空區(qū)埋管瓦斯抽放后,回采期間工作面內(nèi)煤壁處最高瓦斯?jié)舛葹?.1%,平均瓦斯?jié)舛葹?.4%,上隅角最大瓦斯?jié)舛葹?.1%,平均瓦斯?jié)舛葹?.4%。受到采空區(qū)瓦斯涌出的影響,在切眼87 架到131架之間的機(jī)道附近最大瓦斯?jié)舛葹?.8%,平均瓦斯?jié)舛葹?.9%,回采過程中因瓦斯超限觸發(fā)斷電共計3 次。

        對工作面現(xiàn)場進(jìn)行觀察分析發(fā)現(xiàn),1301 工作面內(nèi)瓦斯來源主要為本煤層賦存瓦斯以及工作面上覆巖層裂隙內(nèi)瓦斯兩部分,其中上覆巖層裂隙內(nèi)瓦斯占比將近40%。隨著工作面推進(jìn)過后采空區(qū)頂板垮落,上覆巖層裂隙內(nèi)瓦斯通過采空區(qū)涌入工作面[1-4],僅采用本煤層順層鉆孔抽采以及采空區(qū)埋管抽采無法滿足工作面瓦斯治理需要。針對這種情況,王莊煤礦研究采用了高位裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)抽采上覆巖層內(nèi)瓦斯。

        4 高位裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)

        為保證1301 綜采工作面在回采期間的安全生產(chǎn),針對上覆巖層內(nèi)賦存的瓦斯采取高位裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)。

        4.1 設(shè)備選取

        由于本次1301 綜采工作面上覆巖層裂隙帶瓦斯抽采鉆孔角度為仰角,使用水力沖出孔內(nèi)煤屑。選用型號為C60P-400 液壓鉆機(jī),鉆桿規(guī)格為Ф73 mm,長1.5 m,鉆頭采用規(guī)格Ф85 mm 的三棱復(fù)合鉆頭+Ф110 mm 的擴(kuò)孔鉆頭。封孔設(shè)備選用型號為SGB8-12 的注漿機(jī),注漿效率為88 L/min,注漿機(jī)功率為22 kW,配備Ф90 mm、長1.5 m 的PE 管4根。C60P-400 液壓鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

        表1 C60P-400 液壓鉆機(jī)技術(shù)參數(shù)表

        4.2 高位鉆場布置

        (1)在1301 工作面瓦斯抽排巷內(nèi)沿煤層頂板施工高位鉆場,深4 m,高2.5 m,寬4.5 m,在停采線向工作面切眼方向150 m 處開始施工高位鉆場,并以50 m 間距向切眼方向繼續(xù)施工高位鉆場共6 個。

        (2)鉆場頂板支護(hù)采用錨桿+JW 鋼帶、錨索+吊棚聯(lián)合。錨桿采用高強(qiáng)度左旋螺紋鋼材質(zhì),打設(shè)間排距為1 m,每4 根錨桿配套一條JW 鋼帶,鋼帶長4.2 m,錨索長度為5 m,一排打設(shè)3 根錨索,每排錨索吊掛一根工字鋼梁,間距2 m,共計施工兩排。巷幫打設(shè)玻璃鋼錨桿,間排距為1.2 m×1 m,共施工兩排錨桿。

        4.3 鉆孔參數(shù)

        如圖2 所示,在高位鉆場內(nèi)部切眼側(cè)巷幫布置瓦斯抽放鉆孔,每個鉆場布置4 個,編號為1#~4#,開孔位置位于頂板以下1 m 處,孔間距1 m,孔徑85 mm,孔深130 m,鉆孔距巷幫0.5 m。1#孔傾角為+9°,水平夾角為30°,終孔位置與頂板垂距為19 m;2#孔傾角為+7°,水平夾角為22°,終孔位置與頂板垂距為15 m;3#孔傾角為+5°,水平夾角為14°,終孔位置與頂板垂距為10 m;4#孔傾角為+3°,水平夾角為6°,終孔位置與頂板垂距為6 m。

        圖2 高位瓦斯抽采鉆孔布置平面示意圖

        4.4 封孔工藝

        鉆孔打設(shè)完成后,首先對鉆孔前11 m 進(jìn)行擴(kuò)孔處理,采用Ф110 mm 的擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行,擴(kuò)孔完成后在孔內(nèi)埋入瓦斯抽放管路4 根,每根1.5 m,以絲扣連接緊固。管路下設(shè)完成后,在管路與孔壁間隙內(nèi)埋入注漿軟管,直徑為16 mm,長度6 m,下設(shè)完成后采用膨脹水泥對孔口和擴(kuò)孔結(jié)束位置分別進(jìn)行封孔處理,封孔長度同為0.5 m。封孔工藝示意圖如圖3。封孔完成后,連接注漿軟管與注漿泵進(jìn)行注漿,向孔壁與注漿管路空隙內(nèi)注入配比為7:1:12 的水泥、石膏及清水混合漿液,注漿壓力為12 MPa。

        圖3 封孔工藝示意圖

        5 結(jié)論

        (1)1301 工作面在回采前期,采用了順層鉆孔進(jìn)行本煤層瓦斯抽放及采空區(qū)埋管抽放的方式,抽采效果未達(dá)到預(yù)期,導(dǎo)致工作面內(nèi)瓦斯頻繁超限,嚴(yán)重影響工作面生產(chǎn)安全及效率。通過對工作面現(xiàn)場進(jìn)行觀察分析,發(fā)現(xiàn)工作面內(nèi)瓦斯來源為本煤層瓦斯以及上覆巖層裂隙內(nèi)瓦斯,研究采用了高位裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)對上覆巖層裂隙內(nèi)瓦斯進(jìn)行抽采。

        (2)截至2021 年2 月,1301 綜采工作面全部回采結(jié)束,實(shí)施高位裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)后,工作面回采期間瓦斯涌出量明顯減少,上隅角瓦斯?jié)舛缺3衷?.5%以內(nèi),機(jī)道位置瓦斯?jié)舛缺3衷?.8%以內(nèi),采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛缺3衷?%以內(nèi),瓦斯治理效果顯著。工作面直至回采結(jié)束未出現(xiàn)瓦斯超限導(dǎo)致斷電的情況,工作面的生產(chǎn)安全及效率得到有效保障。

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