張西寨 李萬仕 趙國強
(陜西華彬煤業(yè)股份有限公司)
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低透氣性厚煤層綜放開采瓦斯抽采關(guān)鍵技術(shù)
張西寨 李萬仕 趙國強
(陜西華彬煤業(yè)股份有限公司)
針對彬長礦區(qū)下溝煤礦侏羅紀4#煤層厚度大、透氣性差,本煤層預(yù)抽效果不佳,綜放開采瓦斯涌出量大等難題,綜合采取“本煤層扇形鉆孔+平行鉆孔”采前預(yù)抽和邊采邊抽,專用瓦斯抽放巷抽采采空區(qū)瓦斯等技術(shù),上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.35%左右,回風順槽瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.3%左右,風排瓦斯量為3.5 m3/min,工作面瓦斯抽采取得了明顯效果,保證了工作面安全回采。
低透氣性 專用瓦斯抽放巷 瓦斯抽采 厚煤層 防滅火
針對礦井瓦斯治理難題,袁亮[1-3]院士研究了低透氣性高瓦斯煤層群無煤柱快速留巷Y型通風煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù);郭海亮等[4]針對綜放工作面瓦斯問題,研究了頂板走向高抽巷和內(nèi)錯瓦斯尾巷綜合治理技術(shù);于寶海等[5]研究了本煤層瓦斯抽采鉆孔布置間距的優(yōu)化方法;劉濤[6]等研究了高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)。彬長礦區(qū)下溝煤礦主采侏羅紀延安組4#煤煤層厚度較大,賦存穩(wěn)定,受地質(zhì)構(gòu)造、煤層頂?shù)装鍘r性、上覆基巖厚度、煤層厚度等因素綜合影響[7],瓦斯賦存穩(wěn)定,最大瓦斯含量4.68 m3/t,煤層透氣性差,瓦斯吸附特性強,鉆孔瓦斯衰減周期短,在綜放工作面瓦斯治理過程中,本煤層預(yù)抽率普遍不高,回采過程中大量吸附瓦斯,解吸后工作面絕對瓦斯涌出量大,采空區(qū)大量的瓦斯涌出,導(dǎo)致上隅角、工作面瓦斯超限,嚴重影響礦井安全生產(chǎn)。因此,降低綜放工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛?,成為保障工作面安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。
1.1 工作面布置
彬長礦區(qū)下溝煤礦ZF301工作面位于403采區(qū)南部,工作面埋深約350 m,煤層傾角0°~18°,平均厚度15.94 m,工作面采用“U”型通風方式,巷道布置如圖1所示。4#煤層的鄰近層4上、4上-2、4上-1分別與4#煤相距28.12,31.2,35.44 m,煤層厚度分別為0.95,1.36,1.45 m,均處于采動影響范圍內(nèi)。
1.2 煤層瓦斯參數(shù)
ZF301工作面煤層瓦斯含量3.54~4.55 m3/t,瓦斯壓力0.18~0.20 MPa,煤層透氣性系數(shù)0.77~0.98 m2/(MPa2·d),鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)0.037 9~0.047 8 d-1,瓦斯放散初速度為0.775 mmHg,吸附常數(shù)a=21.556 m3/t,b=0.779 MPa-1。主采4#煤層屬于可采煤層,但接近于難抽采煤層。
圖1 ZF301工作面巷道布置
1.3 瓦斯涌出量
ZF301工作面瓦斯涌出主要包括煤壁瓦斯涌出、采空區(qū)瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出[8](圖2)。工作面最大絕對瓦斯涌出量75.06 m3/min,平均涌出量55.05 m3/min,其中本煤層瓦斯涌出量平均17.99 m3/min,占33%,采空區(qū)瓦斯涌出量平均37.06 m3/min,占67%。采空區(qū)是工作面瓦斯的主要涌出來源。
圖2 工作面瓦斯涌出來源
結(jié)合ZF301工作面瓦斯涌出規(guī)律,采用“扇形鉆孔+平行鉆孔”強化本煤層抽采,專用瓦斯抽放巷抽采采空區(qū)瓦斯等綜合抽采技術(shù)。
2.1 “扇形鉆孔+平行鉆孔”本煤層瓦斯抽采
由于ZF301工作面傾角大,最大18°,在回風順槽施工本煤層鉆孔時容易被煤體中水分封堵,影響抽放效果,因此僅在運輸順槽布置本煤層鉆孔。
在運輸順槽每50 m施工一瓦斯抽放鉆場,鉆場參數(shù)為4 m×4 m×3 m,每個鉆場布置抽放鉆孔25個,鉆孔呈半扇形布置,鉆孔直徑113 mm,平均深度149 m,鉆孔參數(shù)見表1。
在兩鉆場之間布置平行孔,平行孔直徑為113 mm,前500 m平行孔間距為1 m,其他平行孔間距為2 m,深度均為150 m。鉆孔布置如圖3所示。
2.2 專用瓦斯抽放巷抽放采空區(qū)瓦斯
2.2.1 專用瓦斯抽放巷瓦斯抽放方法[9-10]
在工作面回風巷向煤層頂板開一條聯(lián)絡(luò)巷道,沿頂板開挖一條與回風巷平行的頂板巷道,抽放瓦斯時,將抽放管放入聯(lián)絡(luò)巷道內(nèi),封閉聯(lián)絡(luò)巷。使抽放管一端封在巷道內(nèi),另一端接入抽放系統(tǒng),涌入頂板巷道內(nèi)的瓦斯可由抽放系統(tǒng)抽出,從而改變了工作面上隅角瓦斯流向,起到降低上隅角和工作面回風流中的瓦斯?jié)舛鹊淖饔谩?/p>
2.2.2 專用瓦斯抽放巷布置
專用瓦斯抽放巷布置層位是影響抽放效果的最關(guān)鍵因素,綜放開采上覆巖層擾動范圍大,裂隙發(fā)育,會使煤層和巖層整體大范圍的壓力卸荷,卸壓瓦斯受采動影響大量解吸釋放,如果專用瓦斯抽放巷布置層位過高將難以及時抽放這部分卸壓瓦斯,造成上隅角瓦斯超限,同時導(dǎo)致巷道向采空區(qū)深部延伸,增加采空區(qū)漏風半徑,不利于采空區(qū)防滅火管理;若巷道布置層位過低又會造成巷道受采動影響嚴重,難以發(fā)揮最佳作用,甚至在工作面液壓支架前部發(fā)生冒頂,與工作面貫通失去作用。下溝煤礦4#煤層頂板上部14.5 m范圍內(nèi)主要為泥巖,強度小,軟弱致密,易產(chǎn)生變形和破壞,且變形破壞后發(fā)育的橫向、縱向裂隙較小,不利于瓦斯運移,因此不宜將專用瓦斯抽放巷布置在頂板泥巖及其上部巖層中。綜合考慮,沿4#煤層頂板內(nèi)錯回風順槽15 m布置專用瓦斯抽放巷,與工作面最小層間距保持在8 m以上(圖1)。
表1 本煤層瓦斯抽放鉆孔參數(shù)
圖3 本煤層瓦斯抽放鉆孔布置示意
專用瓦斯抽放巷寬3.8 m,高2.8 m,采用“錨桿+錨索+鋼筋托梁+混凝土全斷面噴漿”綜合支護形式,噴漿厚度不小于100 mm,底板加厚噴漿,噴注混凝土強度等級不低于C20。
2.2.3 專用瓦斯抽放巷抽采技術(shù)
專用瓦斯抽放巷施工后對巷口密閉,同時埋設(shè)φ800 mm抽放管路,利用地面低負壓瓦斯抽放系統(tǒng)進行抽放,采用2BEC100型水環(huán)式真空泵,額定抽氣量1 040 m3/min。專用瓦斯抽放巷采用塊石、水泥、黃土、沙子等不燃性材料密閉,密閉墻長度6 m,兩側(cè)是由塊石和水泥砂漿砌成的墻體,厚度為1 m,內(nèi)部采用黃泥充填。
構(gòu)筑密閉墻時安裝瓦斯抽放管、觀察管、灌漿管、放水管。抽放管安裝在密閉墻內(nèi)側(cè)4 m處,距專用瓦斯抽放巷底板1.5 m;灌漿管內(nèi)徑100 mm,距專用瓦斯抽放巷底板1.5 m;觀察管內(nèi)徑50 mm,距巷道頂板0.2 m處;放水管內(nèi)徑100 mm,布置在距巷道底板0.1 m處。
2.2.4 專用瓦斯抽放巷防滅火技術(shù)
巷道采用不燃性材料支護并全斷面噴漿封堵煤體,杜絕煤體低溫氧化,噴漿厚度100 mm,強度等級不低于C20;對專用瓦斯抽放巷內(nèi)CO、CH4、溫度等氣體參數(shù)進行實時監(jiān)測,每天取樣,利用色譜分析儀進行氣體成分分析,做好自然發(fā)火早期預(yù)報。一旦專用瓦斯抽放巷出現(xiàn)自然發(fā)火征兆則立即停止抽放,對專用瓦斯抽放巷采取注氮、黃泥灌漿、注三相泡沫、注高分子膠體等綜合防滅火措施。
ZF301工作面生產(chǎn)時最大絕對瓦斯涌出量75.06 m3/min,平均涌出量55.05 m3/min,工作面平均抽采瓦斯量保持在51.69 m3/min,工作面瓦斯抽采率93.9%,平均風排瓦斯3.36 m3/min。專用瓦斯抽放巷瓦斯抽量顯著,抽放混合量平均為600 m3/min,抽放瓦斯?jié)舛?%~8%,抽放純瓦斯量平均42.54 m3/min;本煤層鉆孔抽放濃度為8%~9%,混合量平均110 m3/min,抽放純瓦斯量平均9.15 m3/min。瓦斯涌出量、瓦斯抽采純量如圖4所示,瓦斯抽采率如圖5所示。專用瓦斯抽放巷預(yù)防自然發(fā)火效果明顯,自工作面回采以來,專用瓦斯抽放巷內(nèi)未檢測到CO氣體,巷內(nèi)氣體溫度23 ℃左右。
圖4 ZF301工作面抽采純瓦斯量對比
圖5 工作面瓦斯抽采率變化曲線
(1)下溝煤礦主采侏羅紀延安組4#煤層透氣性差,鉆孔自然瓦斯流量衰減快,屬于可以抽采煤層,但接近于較難抽采煤層。
(2)ZF301工作面瓦斯涌出來源有煤壁瓦斯涌出、采空區(qū)瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出,采空區(qū)瓦斯涌出占66%,是工作面瓦斯涌出的主要來源。
(3)綜合采取“本煤層扇形鉆孔+平行鉆孔”采前預(yù)抽和邊采邊抽、專用瓦斯抽放巷抽采采空區(qū)瓦斯等綜合抽采技術(shù),能夠有效解決工作面瓦斯問題。
(4)專用瓦斯抽放巷抽采采空區(qū)瓦斯是工作面瓦斯綜合抽采的關(guān)鍵,巷道沿煤層頂板內(nèi)錯回風順槽15 m布置,采用全斷面噴漿封閉煤體、氣體成分監(jiān)測和自然發(fā)火早期預(yù)報以及出現(xiàn)發(fā)火征兆時向?qū)S猛咚钩榉畔飪?nèi)注氮、黃泥灌漿、注三相泡沫、注高分子膠體等綜合防滅火措施,有效杜絕了自然發(fā)火問題。
[1] 袁 亮.低透氣性高瓦斯煤層群無煤柱快速留巷Y型通風煤與瓦斯共采關(guān)鍵技術(shù)[J].中國煤炭,2008(6):9-13.
[2] 袁 亮.低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采理論與實踐[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2008.
[3] 袁 亮.留巷鉆孔法煤與瓦斯共采技術(shù)[J].煤炭學報,2008,33(8):898-902.[4] 郭海亮,王海云.頂板走向高抽巷和內(nèi)錯尾巷聯(lián)合布置解決綜放工作面瓦斯問題[J].煤炭技術(shù),2003,22(11):62-64.
[5] 于寶海,凌志遷,劉國忠.本煤層瓦斯抽放鉆孔布置間距的優(yōu)化方法[J].煤礦安全,2009(3):25-27.
[6] 劉 濤,李玉明,劉起余,等.1129回采工作面高位孔瓦斯抽放技術(shù)應(yīng)用[J].華北科技學院學報,2008,5(1):21-23.
[7] 李萬仕.下溝煤礦瓦斯地質(zhì)規(guī)律探討[J].能源技術(shù)與管理,2010(6):54-55.
[8] 趙海波,劉子坤,胡彬強,等.下溝礦ZF301工作面瓦斯涌出規(guī)律分析[J].現(xiàn)代礦業(yè),2016(5):189-190,196.
[9] 林伯泉,張建國.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2007.
[10] 胡千庭.煤礦瓦斯抽采與災(zāi)害防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2007.
2016-09-19)
張西寨(1972—),男,總經(jīng)理,高級工程師,713500 陜西省咸陽市彬縣姜嫄街5號。