鄭則寧

（山西壽陽潞陽麥捷煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400）

對(duì)于服務(wù)年限較長的高瓦斯礦井而言，采空區(qū)瓦斯涌出一直是引起回采工作面瓦斯超限的主要原因之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，礦井采空區(qū)瓦斯涌出量約占全礦井瓦斯涌出量的20%～45%，個(gè)別礦井甚至超過60%[1]。因此，對(duì)采空區(qū)制定合理的瓦斯抽采技術(shù)方案，對(duì)保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 采空區(qū)瓦斯來源

采空區(qū)是煤炭開采后所形成的大面積封閉區(qū)域，其容易聚集大量的瓦斯等有毒有害氣體，是煤炭生產(chǎn)的重大危險(xiǎn)源和安全隱患。采空區(qū)瓦斯的主要來源包括采空區(qū)遺煤、工作面煤層裂隙、煤層頂?shù)装鍘r層賦存以及鄰近采空區(qū)泄露的瓦斯。在回采工作面推進(jìn)過程中，由于圍巖及巷道會(huì)發(fā)生位移變形，鄰近層中煤巖巷道內(nèi)的瓦斯也會(huì)隨縫隙進(jìn)入采空區(qū)。同時(shí)，采空區(qū)內(nèi)部又難以達(dá)到完全密封，瓦斯可能會(huì)從密閉墻縫隙溢出至回采工作面，造成回風(fēng)隅角瓦斯聚集，甚至出現(xiàn)瓦斯超限的情況[2]。

2 采空區(qū)瓦斯防治技術(shù)

2.1 采空區(qū)回風(fēng)隅角聯(lián)合抽采

采空區(qū)的瓦斯泄露是造成回采工作面回風(fēng)隅角瓦斯聚集主要原因。因此可以對(duì)采空區(qū)瓦斯和回風(fēng)隅角瓦斯同時(shí)治理、抽采管線聯(lián)合布置。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是瓦斯抽采率高、效果明顯，缺點(diǎn)是工程量較大，施工周期長，對(duì)于井下采掘銜接有一定影響。

2.2 向采空區(qū)注氮進(jìn)行空氣置換

由于采空區(qū)內(nèi)氣體成分復(fù)雜，且各項(xiàng)氣體（CH4、O2和N2等）的分子質(zhì)量并不相同。氮?dú)鉃槎栊詺怏w，采空區(qū)注氮法即通過向采空區(qū)注氮可以將瓦斯排擠至采空區(qū)上部，再利用鉆孔和預(yù)埋的管路對(duì)聚集至上部區(qū)域的瓦斯進(jìn)行抽采，使采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛冉档桨踩珮?biāo)準(zhǔn)內(nèi)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以很好的控制回采工作面生產(chǎn)期間瓦斯從相鄰采空區(qū)的溢出量，杜絕瓦斯事故和隱患的發(fā)生，缺點(diǎn)在于施工周期長、設(shè)備使用繁瑣。

2.3 采空區(qū)密閉插管抽采

巷道密閉抽采技術(shù)是指在采區(qū)工作面回采時(shí)（后），對(duì)已形成的采空區(qū)進(jìn)行砌筑隔離墻，再通過墻體插管進(jìn)行采空區(qū)的瓦斯抽采，從而降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，如圖1所示。需要注意的是采空區(qū)密閉墻構(gòu)筑位置、墻體厚度等對(duì)密閉墻的密閉效果有著重要影響。為防止密閉墻產(chǎn)生變形、裂隙，密閉墻砌筑的位置必須避開巷道應(yīng)力集中區(qū)，并保證墻體厚度及選材具有一定抗壓強(qiáng)度[3]。

圖1 工作面采空區(qū)密閉插管瓦斯抽采平面

3 采空區(qū)密閉埋管瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)麥捷煤礦瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定數(shù)據(jù)，礦井最大絕對(duì)瓦斯涌出量為38.88 m3/min，其中，采空區(qū)瓦斯涌出為19.04 m3/min，約占全礦井瓦斯涌出的49%。后期單獨(dú)開采15號(hào)煤層時(shí)，煤對(duì)瓦斯吸附常數(shù)a=31.649～34.649 m3/t；b=0.8～0.927 MPa-1，煤層透氣性系數(shù)為0.12 m2/（MPa2·d），最大相對(duì)瓦斯壓力為0.09 MPa，判定該礦為高瓦斯礦井。

3.1 采空區(qū)瓦斯治理必要性及可行性

瓦斯是一種優(yōu)質(zhì)潔凈的能源，將井下煤層中抽出的瓦斯加以利用可以變害為寶，改善能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)礦區(qū)環(huán)境，能取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。根據(jù)麥捷礦瓦斯涌出量預(yù)測(cè)，礦井單獨(dú)開采15號(hào)煤層時(shí)，工作面瓦斯涌出可達(dá)到14.72 m3/min，已超出工作面通風(fēng)能力解決范圍，必須建立瓦斯抽采系統(tǒng)。

15號(hào)煤層采空區(qū)是否符合抽采條件，需要根據(jù)原始條件下煤層透氣性和鉆孔瓦斯衰減系數(shù)進(jìn)行判斷，參照標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 開采層瓦斯抽采難易程度一覽

麥捷煤礦15號(hào)煤層透氣性系數(shù)為0.12 m2/MPa2.d，百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.026 4 d-1，參照表1可知，麥捷煤礦15號(hào)煤層為可以抽采煤層。

3.2 U型通風(fēng)分析

麥捷煤礦回采工作面采用U型通風(fēng)方式，具有通風(fēng)線路短、系統(tǒng)布置簡單的優(yōu)點(diǎn)。但回采工作面這種通風(fēng)方式在實(shí)際生產(chǎn)過程中，卻更容易發(fā)生回風(fēng)隅角瓦斯聚集、出現(xiàn)采空區(qū)漏風(fēng)的問題[4-5]。如圖2所示，150506工作面在回采期間，由于負(fù)壓的作用，部分工作面新鮮風(fēng)流會(huì)沿支架間隙進(jìn)入采空區(qū)，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行流體壓力測(cè)試后顯示，采空區(qū)瓦斯壓力遵循P1＞P2＞P3＞P4＞P5＞P6原則，瓦斯?jié)舛茸裱瑿1＞C2＞C3＞C4＞C5＞C6原則，采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流受風(fēng)壓的影響從回風(fēng)隅角處進(jìn)入回風(fēng)巷內(nèi)，因此采空區(qū)瓦斯溢出后，容易受U型通風(fēng)的影響在回風(fēng)隅角處形成匯聚，導(dǎo)致回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛瘸轠5]。

圖2 U型通風(fēng)方式采空區(qū)流場

3.3 采空區(qū)瓦斯抽采設(shè)計(jì)

麥捷煤礦經(jīng)過長期的開采，老采空區(qū)數(shù)量逐步增多。為了有效防止老采空區(qū)瓦斯集聚并向采掘工作面涌出，本次制定全封閉式的插管抽采技術(shù)，對(duì)老采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采。15號(hào)煤層150506工作面回采過程中，對(duì)15015采區(qū)鄰近工作面老采空區(qū)砌筑密閉墻，并向采空區(qū)內(nèi)插管，抽采方法與管道埋設(shè)如圖3所示。

圖3 全封閉采空區(qū)瓦斯抽采

3.4 密閉墻插管抽采方法布置參數(shù)

密閉墻插管抽采技術(shù)對(duì)密閉墻的密閉性要求較高。為保證最終瓦斯抽采效果，本次將采用工藝革新后混凝土澆筑對(duì)密閉墻的封閉。密閉墻總厚度2.5 m，磚厚0.3 m，混泥土澆筑后的密閉墻不僅可以提高墻體的抗剪性能力，還可節(jié)約1.5個(gè)工作日的施工周期。為進(jìn)一步保證墻體密閉性，還需在巷道圍巖側(cè)挖出深約0.3 m的槽溝，并用料石填充，將瓦斯管安插于密閉墻的上部，周邊縫隙進(jìn)行注漿澆筑，防止漏風(fēng)。其次插管與主管連接處設(shè)置閥門、節(jié)流孔板和濃度檢測(cè)口，以便于對(duì)所抽出的瓦斯?jié)舛群土髁繉?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一般抽采鉆孔的直徑為φ75～80 mm，由于采空區(qū)瓦斯?jié)舛容^高，為了提高瓦斯抽采效率，將密閉墻插管抽采的管徑加大為φ113 mm。需注意的是密閉墻插管抽采的管子要安裝閥門，該閥門在未進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)需處于關(guān)閉狀態(tài)，以免瓦斯外泄，如圖4所示。

圖4 密閉墻插管抽采

3.5 抽采負(fù)壓

麥捷煤礦地面瓦斯抽采泵站現(xiàn)有一套高負(fù)壓抽采系統(tǒng)，一套低負(fù)壓抽采系統(tǒng)，瓦斯抽采泵站建在管道立井（原回風(fēng)立井）工業(yè)場地內(nèi)。將已竣工的抽采鉆孔接入抽采管道進(jìn)行抽采，在抽采過程中需對(duì)鉆孔的抽采參數(shù)（瓦斯?jié)舛?、?fù)壓、溫度、流量）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，計(jì)算瓦斯抽采量，并根據(jù)監(jiān)測(cè)情況對(duì)抽采負(fù)壓進(jìn)行調(diào)整。采空區(qū)抽采鉆孔的孔口負(fù)壓不低于5 kPa。

3.6 瓦斯抽采規(guī)模

1505采區(qū)工作面回采時(shí)，需根據(jù)現(xiàn)有的抽采流量與純量對(duì)瓦斯抽采規(guī)模做出判斷。1505采區(qū)瓦斯抽采系統(tǒng)共計(jì)對(duì)一個(gè)現(xiàn)采空區(qū)和兩個(gè)老采空區(qū)進(jìn)行抽采，抽采量預(yù)測(cè)如表2所示。

表2 抽采量預(yù)計(jì)一覽

4 瓦斯抽采量效果評(píng)價(jià)

通過監(jiān)測(cè)，麥捷煤礦后期單獨(dú)開采15號(hào)煤層滿足1.50 Mt/a時(shí)，礦井瓦斯總涌出量為38.88 m3/min，礦井瓦斯抽采量為16.36 m3/min，礦井瓦斯抽采率約為42%；15號(hào)煤層回采工作面瓦斯涌出量為14.72 m3/min左右，瓦斯抽采量為12.36 m3/min左右，回采工作面瓦斯抽采率約為84%左右。

在150506工作面回采結(jié)束后，該老采空區(qū)的瓦斯抽采量最高達(dá)到4.0 m3/min，回風(fēng)順槽內(nèi)瓦斯的體積分?jǐn)?shù)降低至0.4%以下，瓦斯抽采管內(nèi)的瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在1.4%～2.5%；回風(fēng)隅角瓦斯的體積分?jǐn)?shù)控制在0.4%～0.7%，并且后期在鄰近工作面回采過程中也未發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象。另外150506工作面回采量也有所提高，由原1 350 t/d，提高至1 740 t/d，提升幅度28.9%。

5 結(jié)論

麥捷煤礦150506工作面采用U型通風(fēng)，且巷道布置復(fù)雜、復(fù)用率高，礦井服務(wù)年限較長，留有大量的老采空區(qū)。在采用全封閉式密閉墻插管抽采后，可以有效降低老采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，密閉墻也起到了很好的密閉效果，減少了采空區(qū)瓦斯對(duì)工作面生產(chǎn)的影響，總結(jié)如下：

1）密閉墻的選址需要避開應(yīng)力集中區(qū)，本次采用革新后的混凝土澆筑進(jìn)行封閉，可以有效地防止密閉墻變形、開裂，提高自身的抗剪性能力，并能節(jié)約施工時(shí)間。

2）對(duì)密閉墻的施工應(yīng)確保構(gòu)筑堅(jiān)固，回采結(jié)束后密閉墻仍保持完好。

3）在對(duì)密閉墻抽采瓦斯前需嚴(yán)格控制系統(tǒng)負(fù)壓，確保瓦斯抽采泵負(fù)壓工況運(yùn)行正常，抽采過程中需要保證流量穩(wěn)定。

4）抽采完成后，測(cè)試顯示，老采空區(qū)抽采量達(dá)到4.0 m3/min，采空區(qū)及巷道的瓦斯體積分?jǐn)?shù)成功控制在允許范圍以內(nèi)，且工作面產(chǎn)量由原1 350 t/d提高至1 740 t/d，漲幅約28.9%。