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        底抽巷在高瓦斯礦井中的綜合應(yīng)用

        2022-09-02 06:51:58王洪波趙明洲
        關(guān)鍵詞:斜巷平巷區(qū)段

        王洪波,黃 優(yōu),趙明洲

        (貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院,貴州 畢節(jié) 551700)

        截至2018年,貴州省煤炭產(chǎn)量達(dá)1.42億噸,居全國第五位,煤炭相關(guān)產(chǎn)業(yè)為貴州經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。當(dāng)前新工業(yè)革命的孕育與興起,高技術(shù)產(chǎn)業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展,將加快新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換,帶動(dòng)新興材料消費(fèi),為礦業(yè)振興釋放出新的潛力。隨著煤炭行業(yè)的復(fù)蘇,煤礦企業(yè)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。但由于受煤礦企業(yè)本身煤層賦存條件的限制,安全生產(chǎn)難以保證,企業(yè)發(fā)展十分艱難。隨著煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化的發(fā)展,工作面推進(jìn)強(qiáng)度、效率越來越高,采掘接替緊張是煤礦普遍存在的一個(gè)問題。[1]礦井隨著開采深度的增加,高地應(yīng)力、高瓦斯壓力、低透氣性、易突出等特點(diǎn)也越來越明顯,井下瓦斯災(zāi)害形勢愈加嚴(yán)峻。[2]因此,應(yīng)根據(jù)煤礦的地形特點(diǎn),優(yōu)化底板瓦斯巷布置,快速對工作面兩巷進(jìn)行消突,縮短兩巷掘進(jìn)時(shí)間,以實(shí)現(xiàn)煤礦的快速安全投產(chǎn)。[3]本文針對試驗(yàn)礦井可采煤層多、瓦斯含量高、煤層頂板破碎、采掘失調(diào)嚴(yán)重等問題進(jìn)行分析,提出了底板抽放巷綜合利用技術(shù),有效解決了本礦在生產(chǎn)中存在的一系列問題。

        1 礦井概況

        本研究課題選取的試驗(yàn)礦位于貴州省畢節(jié)市金沙縣,礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為60萬t/a,斜井開拓。礦井采用單一走向長壁采煤法,綜合機(jī)械化采煤工藝。礦井瓦斯等級為高瓦斯礦井。井田內(nèi)出露地層由老至新有下二疊統(tǒng)茅口組、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M、長興組、下三疊系夜郎組及茅草鋪組和第四系。茅口組(P1m)由石灰?guī)r、燧石灰?guī)r及少量硅質(zhì)巖組成。下段以厚層至塊狀灰?guī)r為主,下部夾白云巖;上段底部為薄至中厚層狀燧石灰?guī)r夾燧石層,中、上部為石灰?guī)r、生物灰?guī)r。位于含煤地層(龍?zhí)督M)底部,厚403m。龍?zhí)督M(P2l)為一套以泥巖至細(xì)粒碎屑巖為主,含少量碳酸巖和煤巖,為淺海至濱海平源沼澤相的海陸交互相含煤沉積巖系。根據(jù)巖性、巖相和含煤特征,以標(biāo)五頂、標(biāo)七頂為界,分為上、中、下三段。長興組(P2c)位于龍?zhí)督M上部,以海相灰?guī)r為主,上部為深灰色厚層狀石灰?guī)r夾巖屑細(xì)砂巖及泥巖。下部為一層厚約10.00m的燧石灰?guī)r,深灰色,巨厚層狀,堅(jiān)硬,在地表往往形成陡坎。產(chǎn)蜒科、腕足類等化石,厚26m。礦井可采煤層為C4、C5、C9、C13、C15煤層,煤層賦存穩(wěn)定,全部可采。煤層特征見表1所示。

        表1 試驗(yàn)礦可采煤層特征表

        2 礦井開采現(xiàn)狀分析

        目前該礦采用斜井開拓,單一走向長壁采煤法,綜合機(jī)械化采煤工藝。采區(qū)準(zhǔn)備方式為聯(lián)合準(zhǔn)備方式,即將上山布置在煤層群C15煤層的底板巖層之中,可采層5層煤共用一組上山進(jìn)行開采,采區(qū)巷道布置平面如圖1所示。

        圖1 回采巷道布置平面圖

        該礦可采煤層5層,分別為C3、C5、C9、C13和C15煤層。由于該礦井可采煤層瓦斯含量高,均為高瓦斯煤層。為了安全,根據(jù)安全設(shè)施設(shè)計(jì)要求在煤層群底板巖層中布置底板瓦斯抽放巷。具體布置如圖2所示。

        圖2 底板抽放巷布置圖

        通過煤層底板瓦斯抽放巷布置穿層鉆孔抽采5層煤層的瓦斯后,再沿煤層掘進(jìn)區(qū)段平巷形成回采巷道,對煤層群進(jìn)行回采。該礦采區(qū)內(nèi)煤層間開采順序采用下行式,即先開采C3煤層,后開采C5煤層,以此類推回采到C15煤層,區(qū)段間也采用下行式開采。

        對于大多數(shù)礦井而言,單一走向長壁下行式采煤法是比較實(shí)用的一種采煤方法,但對于此礦井而言,由于存在煤層瓦斯含量高、煤層頂板破碎等特點(diǎn),開采還存在如下弊端:

        其一,由于井田內(nèi)可采煤層瓦斯含量均大于10m3/t,瓦斯含量高,礦井在沿煤層掘進(jìn)區(qū)段平巷的過程中,瓦斯時(shí)常超限,很容易引起瓦斯事故。

        其二,本礦井頂板破碎,再加上區(qū)段巷道平均維護(hù)時(shí)間較長的情況,若按照原來的開采設(shè)計(jì)進(jìn)行回采作業(yè),回采巷道掘進(jìn)時(shí)發(fā)生冒頂?shù)拇螖?shù)較多,安全難以保證。

        其三,由于煤層瓦斯含量大且煤層頂板破碎,區(qū)段巷道平均1200m的掘進(jìn)時(shí)間為2a左右,再加上回采該區(qū)段所需的時(shí)間1.5a,區(qū)段巷道維護(hù)成本較高。

        其四,由于本礦井煤層巷道掘進(jìn)困難,礦井采掘失調(diào)嚴(yán)重,安全隱患較大,企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益較差。

        本研究通過對此礦存在的問題進(jìn)行綜合分析,結(jié)合礦井的實(shí)際情況,提出了一種快速解決本礦井存在的問題的開采技術(shù),即煤層底板瓦斯抽放巷綜合利用技術(shù)。

        3 煤層底板瓦斯抽放巷綜合利用技術(shù)工業(yè)試驗(yàn)

        3.1 開采優(yōu)化設(shè)計(jì)

        本礦井原來采用的采煤方法及回采工藝巷道掘進(jìn)順序是:先在煤層底板布置采區(qū)上山巷道,上山通過聯(lián)絡(luò)巷道掘進(jìn)區(qū)段煤層底板瓦斯抽放巷,在瓦斯抽放巷內(nèi)布置穿層瓦斯抽放鉆孔抽采各煤層瓦斯,當(dāng)可采煤層瓦斯抽采達(dá)標(biāo)之后再沿煤層一次性掘進(jìn)區(qū)段平巷形成回采巷道進(jìn)行回采作業(yè)(巷道布置圖如圖1所示)。這樣的回采方式存在兩個(gè)問題:一是掘進(jìn)需要的時(shí)間較長,采掘失調(diào)嚴(yán)重;二是巷道需要維護(hù)的時(shí)間較長,維護(hù)成本較高,且由于頂板破碎,安全難以保證。為了解決以上問題,綜合考慮煤層底板瓦斯抽放巷綜合利用技術(shù),對采區(qū)巷道進(jìn)行優(yōu)化,即改變底板瓦斯抽放巷原來的瓦斯抽放功能,對瓦斯抽放巷進(jìn)行綜合利用。在巖巷內(nèi)施工穿層鉆孔預(yù)抽上覆煤層瓦斯,用最根本的抽采技術(shù)措施提前解除或降低掘進(jìn)范圍內(nèi)的煤與瓦斯突出危險(xiǎn),對于煤巷的安全快速掘進(jìn)有著重要的保障和促進(jìn)作用。[4]優(yōu)化后的巷道掘進(jìn)順序是:先掘進(jìn)上山巷道,通過聯(lián)絡(luò)巷道掘進(jìn)煤層底板瓦斯抽放巷道,在區(qū)段回風(fēng)底板瓦斯抽放巷靠近采區(qū)邊界100m處掘進(jìn)一條回風(fēng)斜巷1揭穿煤層,再沿煤層掘進(jìn)區(qū)段回風(fēng)巷;在區(qū)段運(yùn)輸?shù)装逋咚钩榉畔锟拷蓞^(qū)邊界100m處掘進(jìn)一條運(yùn)輸斜巷1揭穿煤層,再沿煤層掘進(jìn)區(qū)段運(yùn)輸巷與區(qū)段回風(fēng)巷貫通形成回采系統(tǒng)。在采煤工作面進(jìn)行回采的過程中,掘進(jìn)工作面可以通過煤層底板瓦斯抽放巷掘進(jìn)回風(fēng)斜巷2和運(yùn)輸斜巷2后,反掘超前回風(fēng)平巷與超前運(yùn)輸平巷。依此類推,回采所有的煤層。優(yōu)化后的巷道布置示意圖見圖3所示。

        圖3 底板抽放巷綜合利用巷道布置示意圖

        為了保證礦井的生產(chǎn)安全,在實(shí)施本方案過程中,根據(jù)礦井“兩采一準(zhǔn)”的作業(yè)形式特點(diǎn),巷道掘進(jìn)作業(yè)安排在準(zhǔn)備班進(jìn)行,采煤掘進(jìn)采用不平行作業(yè)的方式分班進(jìn)行。

        由于巷道優(yōu)化后,穿層鉆孔抽采煤層群瓦斯的時(shí)間大減,瓦斯抽采率可能達(dá)不到回采的要求。為了解決瓦斯抽采的問題,在超前平巷掘進(jìn)的過程中,采用超前鉆孔配合穿層鉆孔進(jìn)行聯(lián)合抽采煤層的瓦斯,使煤層瓦斯在短時(shí)間內(nèi)抽采達(dá)標(biāo),不影響采掘作業(yè)。超前瓦斯抽采鉆孔布置圖如圖4所示。

        圖4 煤巷超前瓦斯抽放鉆孔布置示意圖

        3.2 優(yōu)化后礦井生產(chǎn)系統(tǒng)

        優(yōu)化前后變化最大的生產(chǎn)系統(tǒng)為運(yùn)輸系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)。優(yōu)化前,礦井的生產(chǎn)系統(tǒng)圖如圖1所示:各煤層采煤工作面回采下來的煤炭通過區(qū)段運(yùn)輸平巷、運(yùn)輸石門或斜巷、運(yùn)輸上山、主斜井運(yùn)輸?shù)降孛?;新鮮風(fēng)流通過主副斜井、運(yùn)輸及軌道上山、區(qū)段運(yùn)輸平巷、采煤工作面、區(qū)段回風(fēng)平巷、回風(fēng)石門或斜巷、回風(fēng)上山、回風(fēng)斜井回出地面。優(yōu)化后礦井生產(chǎn)系統(tǒng)圖如圖3所示:各煤層回采的煤炭通過超前運(yùn)輸平巷、運(yùn)輸斜巷、區(qū)段運(yùn)輸?shù)装逋咚钩榉畔铩⑦\(yùn)輸石門或斜巷、運(yùn)輸上山、主斜井運(yùn)輸?shù)降孛妫恍迈r風(fēng)流通過主副斜井、運(yùn)輸及軌道上山、區(qū)段運(yùn)輸石門或斜巷、區(qū)段運(yùn)輸?shù)装逋咚钩榉畔?、運(yùn)輸斜巷、超前運(yùn)輸平巷、采煤工作面、超前回風(fēng)平巷、回風(fēng)石門或斜巷、回風(fēng)上山、回風(fēng)斜井回出地面。

        4 試用效果分析

        4.1 掘進(jìn)時(shí)瓦斯超限次數(shù)明顯減少

        通過對該礦同水平同區(qū)段另一翼煤層掘進(jìn)時(shí)瓦斯超限的統(tǒng)計(jì)情況分析后發(fā)現(xiàn),優(yōu)化前同一區(qū)段5層煤掘進(jìn)尺共計(jì)13008m,掘進(jìn)時(shí)瓦斯共計(jì)超限次數(shù)為1122次,平均掘進(jìn)11.6m瓦斯超限1次,其中897次瓦斯超限為正常掘進(jìn)時(shí)瓦斯超限;采用優(yōu)化后的方案掘進(jìn),該區(qū)段煤巷掘進(jìn)共計(jì)進(jìn)尺12366m,瓦斯超限次數(shù)為203次,平均掘進(jìn)61m瓦斯超限1次,其中116次瓦斯超限發(fā)生在掘進(jìn)放炮落煤時(shí),正常生產(chǎn)時(shí)瓦斯超限次數(shù)僅為87次。通過對該礦優(yōu)化前后瓦斯超限情況進(jìn)行分析,該礦綜合利用瓦斯底板抽放巷配合超前鉆孔治理瓦斯效果明顯,安全得到了保證。

        4.2 煤巷掘進(jìn)巷道冒頂次數(shù)較少

        優(yōu)化前由于巷道維護(hù)時(shí)間長,巷道變形大,掘進(jìn)13008m共計(jì)發(fā)生冒頂64次,平均掘進(jìn)203.25m發(fā)生冒頂1次,其中48次冒頂發(fā)生在爆破落煤時(shí)間外,從中可以看出冒頂主要是由于巷道長時(shí)間變形引起;優(yōu)化后掘進(jìn)12366m,共計(jì)發(fā)生冒頂28次,平均掘進(jìn)441.64m發(fā)生冒頂1次,其中19次發(fā)生在爆破落煤時(shí),可以看出優(yōu)化后巷道變形得到明顯改善。

        4.3 煤巷掘進(jìn)速度加快,采掘失調(diào)得到有效解決

        優(yōu)化前,由于采用穿層鉆孔抽采煤層群的瓦斯,鉆孔有效抽采面積較小,瓦斯抽采時(shí)間較長,嚴(yán)重影響礦井的掘進(jìn)工作。通過統(tǒng)計(jì),礦井優(yōu)化前掘進(jìn)13008m,2個(gè)掘進(jìn)隊(duì)同時(shí)掘進(jìn)共計(jì)用時(shí)1414d,平均每天每隊(duì)掘進(jìn)4.6m;采用煤層底板瓦斯抽放巷綜合利用技術(shù)后,2個(gè)對組掘進(jìn)12366m,用時(shí)703d,平均每天每隊(duì)掘進(jìn)8.8m,掘進(jìn)速度明顯加快,礦井采掘失調(diào)問題得到有效解決。

        4.4 生產(chǎn)設(shè)備集中,設(shè)備占有數(shù)及職工人數(shù)減少

        優(yōu)化前,礦井同一區(qū)段5層煤需要5套運(yùn)煤設(shè)備及5套運(yùn)料排矸設(shè)備及相關(guān)崗位工作人員,優(yōu)化后5層煤的煤炭集中通過區(qū)段運(yùn)輸瓦斯底板抽放巷1套運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)輸,減少了設(shè)備,精簡了人員,減少了投入。

        4.5 巷道維護(hù)成本降低,企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益較好

        優(yōu)化前,巷道的平均維護(hù)時(shí)間(掘進(jìn)+回采)為246d,由于巷道維護(hù)時(shí)間長,巷道變形大,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示巷道平均維護(hù)成本為69.82元/m;綜合利用底板抽放巷以后,由于超前平巷兩聯(lián)絡(luò)斜巷之間平均長度為100m,加上掘進(jìn)速度快,巷道暴露時(shí)間較短,大部分巷道不需要維護(hù)已經(jīng)回采完畢,平均維護(hù)時(shí)間(掘進(jìn)+回采)為26d,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示巷道平均維護(hù)成本為5.68元/m,維護(hù)成本大大降低,企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益明顯好轉(zhuǎn)。

        通過試用效果分析可以看出,該礦采用底板瓦斯抽放巷綜合利用技術(shù)后,礦井在安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面都得到了有效提高。

        以上效果對比,具體如表2所示。

        表2 效果對比表

        5 結(jié)論

        底板瓦斯抽放巷綜合利用以后,有效解決了煤層巷道掘進(jìn)瓦斯超限的問題,同時(shí)針對巷道頂板破碎的情況,大大縮短了巷道的暴露時(shí)間,巷道冒頂?shù)玫接行Э刂?;底板瓦斯抽放巷綜合利用優(yōu)化了礦井的生產(chǎn)系統(tǒng),礦井采用集中生產(chǎn),設(shè)備數(shù)量及人員銳減,生產(chǎn)投入減少;巷道維護(hù)時(shí)間減少,維護(hù)費(fèi)用降低,生產(chǎn)成本降低,企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益得到提高;在保障職工生命安全、提高工作效率、較低噸煤成本、促進(jìn)企業(yè)安全生產(chǎn)等方面有顯著效果。

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