葛國(guó)鋒

(山西潞安集團(tuán) 左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600)

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·試驗(yàn)研究·

阜生礦1102工作面瓦斯綜合防治措施應(yīng)用研究

葛國(guó)鋒

(山西潞安集團(tuán) 左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600)

為了解決高瓦斯突出煤層開采中的瓦斯問題，以阜生礦1102工作面為例，通過分析煤層瓦斯賦存特點(diǎn)和1102工作面瓦斯涌出特征，得出正?；夭善陂g1102工作面相對(duì)瓦斯涌出量為7.59 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為18.45 m3/min. 針對(duì)瓦斯涌出狀況，設(shè)計(jì)采用了順層鉆孔抽采、高抽巷抽采、采空區(qū)預(yù)埋管抽采、回風(fēng)巷鉆場(chǎng)穿層鉆孔和封閉采空區(qū)抽采相結(jié)合的綜合抽采方法。對(duì)抽采措施進(jìn)行效果檢驗(yàn)，結(jié)果表明，綜合措施的采用使回采工作面瓦斯得到了有效控制，解決了高瓦斯突出煤層開采的瓦斯治理問題。

瓦斯防治；瓦斯涌出量預(yù)測(cè)；抽采措施；抽采效果

山西省突出礦井、高瓦斯礦井眾多，且多數(shù)礦井屬于高瓦斯突出近距離煤層群開采。隨著開采深度的增加，各煤層瓦斯含量隨之增大，瓦斯治理難度也逐漸增大，嚴(yán)重影響了綜合機(jī)械化采煤方法的應(yīng)用和煤礦企業(yè)安全、高效生產(chǎn)。為了保障煤礦的安全、高效和可持續(xù)發(fā)展，需要加大瓦斯綜合治理力度，據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定[1, 2]，突出煤層必須進(jìn)行區(qū)域預(yù)抽消突，高瓦斯礦井煤層瓦斯抽采率應(yīng)滿足《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》要求。阜生煤礦開采15#煤層時(shí)，采用“順層鉆孔抽采”、“高抽巷抽采”、“采空區(qū)預(yù)埋管抽采”、“回風(fēng)巷鉆場(chǎng)穿層鉆孔”和“封閉采空區(qū)抽采”相結(jié)合的綜合抽采方法，有效解決了1102回采工作面的突出及瓦斯超限問題[3-8].

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

1.1 構(gòu)造特征

井田位于1102工作面總體上東、西部地層，傾角較大，中部局部地層傾角較平緩。預(yù)計(jì)巷道掘進(jìn)過程中，巷道坡度最小約3°，最大約20°.

井田內(nèi)及周邊未發(fā)現(xiàn)巖漿巖侵入，據(jù)已有地質(zhì)資料分析，1102回風(fēng)巷掘進(jìn)至約134.7 m時(shí)巷道左幫將會(huì)受到X11陷落柱影響，該陷落柱長(zhǎng)軸長(zhǎng)約64 m，短軸長(zhǎng)約62 m，受影響的巷道長(zhǎng)度約19.5 m.

1.2 煤層特征

該區(qū)15#煤層俗稱“丈八煤”，位于太原組下段中下部，上距K2灰?guī)r5.97～12.03 m， 下距太原組底界K1砂巖5.85 m，根據(jù)該巷道相鄰巷道1101運(yùn)輸順槽地質(zhì)資料分析，該巷道煤層平均厚度6.5 m. 煤層層位極其穩(wěn)定，全井田分布廣泛，在井田內(nèi)所有鉆孔中均見此煤層，可采系數(shù)100%，是本井田的主要可采煤層。15#煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，含夾矸0～3層，一般為1層，單層夾矸最大厚度可達(dá)0.37 m. 煤層頂板為砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，底板一般為泥巖。

1.3 瓦斯特征

該區(qū)15#煤層瓦斯含量介于6.68～10.73 m3/t，平均為8.82 m3/t，瓦斯含量較低。通過對(duì)影響瓦斯含量的主要因素進(jìn)行分析，埋深對(duì)瓦斯含量影響較大，隨著煤層埋深的增大，瓦斯含量線性增大。根據(jù)研究區(qū)煤層埋深分布情況，井田內(nèi)的15#煤層瓦斯含量由東南部向西北部逐漸增高，一采區(qū)最大瓦斯含量均分布在采區(qū)西北部，二采區(qū)最大瓦斯含量均分布在西北部井田邊界附近。同時(shí)，采用間接法對(duì)15#煤層瓦斯壓力進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示該煤層瓦斯壓力最大值為0.44 MPa.

2 工作面瓦斯綜合防治措施應(yīng)用

2.1 工作面瓦斯涌出特征分析

1102回采工作面瓦斯來(lái)源主要由開采層瓦斯涌出和鄰近層(包括圍巖)瓦斯涌出兩部分組成。根據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》(AQ1018-2006)，采用式(1)進(jìn)行瓦斯涌出量預(yù)測(cè)計(jì)算：

(1)

式中：

q采—回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；

q1—開采層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；

q2—鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t.

1) 開采層瓦斯涌出量計(jì)算。

厚煤層不分層開采時(shí)，回采工作面開采層的瓦斯涌出量計(jì)算公式為：

(2)

式中：

k1—圍巖瓦斯涌出系數(shù)，礦井頂板管理方式為全部跨落法管理頂板，取1.3；

k2—工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，據(jù)回采率為93%，取1.08；

k3—準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)工作面煤體瓦斯涌出影響系數(shù)；利用長(zhǎng)壁后退式回采時(shí)，系數(shù)k3按式(3)確定：

(3)

式中：

L—回采工作面長(zhǎng)度，m，1102工作面取大值150；

h—巷道瓦斯預(yù)排等值寬度，m，1102工作面取12.4；

m—開采層厚度，m，取6.0；

M—工作面采高，m，取6.0；

W0—開采煤層原始瓦斯含量。1102工作面與1101工作面相鄰，瓦斯含量比較接近，1101工作面實(shí)測(cè)瓦斯含量最大5.66 m3/t(位于1101回風(fēng)巷650 m處)，因此1102工作面最大瓦斯含量取6 m3/t；

Wc—開采煤層煤的殘存瓦斯含量，m3/t，取3.8.

代入公式(2)，得1102工作面本煤層相對(duì)瓦斯涌出量為2.58 m3/t.

2) 鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算。

根據(jù)中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院為阜生煤業(yè)編制的《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)研究報(bào)告》，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，該礦回采工作面瓦斯涌出構(gòu)成開采層約占34%，鄰近層約占66%. 因此，鄰近層瓦斯涌出量為：

(4)

式中：

q2—鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；

q1—開采煤瓦斯涌出量，m3/t.

將數(shù)據(jù)代入公式(4)，得1102工作面鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量為5.01 m3/t.

根據(jù)礦井工作面布置規(guī)劃：1102平均日產(chǎn)量為3 500 t. 結(jié)合工作面瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果，得出礦井生產(chǎn)時(shí)回采工作面的瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果，見表1.

表1 15#煤層工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果表

從表1可以看出，正常回采期間1102工作面相對(duì)瓦斯涌出量為7.59 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為18.45 m3/min.

2.2 工作面瓦斯綜合防治措施

1102回采面采用“順層鉆孔抽采“、“高抽巷抽采”、“采空區(qū)預(yù)埋管抽采”、“回風(fēng)巷鉆場(chǎng)穿層鉆孔”和“封閉采空區(qū)抽采”相結(jié)合的綜合抽采方法。

2.2.1 順層鉆孔設(shè)計(jì)

1) 1102回風(fēng)巷、回風(fēng)巷鉆孔設(shè)計(jì)。

根據(jù)《設(shè)計(jì)說明書》，結(jié)合1102工作面巷道布置情況，決定分別由1102回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷施工順層平行鉆孔進(jìn)行采前預(yù)抽和邊采邊抽。

a) 回風(fēng)巷鉆孔布置參數(shù)見表2.

表2 1102回風(fēng)巷鉆孔參數(shù)表

b) 運(yùn)輸巷鉆孔布置參數(shù)見表3.

表3 1102運(yùn)輸巷鉆孔參數(shù)表

施工過程中應(yīng)根據(jù)施工地點(diǎn)煤層傾角變化及時(shí)調(diào)整鉆孔傾角，確保鉆孔沿煤層施工。在施工過程中，如果地質(zhì)條件復(fù)雜，起伏變化太大無(wú)法掌握合適的施工角度時(shí)，應(yīng)調(diào)整角度使鉆孔實(shí)際深度盡可能達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度的70%以上。

2) 1102切眼鉆孔設(shè)計(jì)。

根據(jù)潞安集團(tuán)《高瓦斯礦井采掘工作面特別管理規(guī)定》：“工作面切眼煤壁要施工間距≤2 m、長(zhǎng)度≥60 m、孔徑≥94 mm的瓦斯抽采鉆孔并網(wǎng)預(yù)抽，預(yù)抽時(shí)間≥3個(gè)月”。切眼鉆孔參數(shù)見表4.

表4 1102切眼鉆孔參數(shù)表

抽放鉆孔施工必須按設(shè)計(jì)的方位角等參數(shù)進(jìn)行，若煤層起伏變化較大時(shí)，鉆孔傾角應(yīng)根據(jù)煤層變化情況及時(shí)調(diào)整，以提高成孔率，同時(shí)要作好鉆孔進(jìn)尺及相關(guān)參數(shù)的記錄，并將鉆孔編號(hào)牌上的參數(shù)按照實(shí)際進(jìn)行填寫。

2.2.2 高抽巷抽采設(shè)計(jì)

據(jù)1102工作面設(shè)計(jì)平、剖、斷面圖，1102高抽巷全長(zhǎng)936.462 m. 其中，0～86.823 m段斷面為3.5 m×3 m，采用錨桿+錨索+鋼筋梯梁+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)；86.823～936.462 m段斷面為2.5 m×2.5 m，采用錨桿+金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。1102高抽巷掘進(jìn)方位角122°，從一采區(qū)膠帶巷內(nèi)開口后先下穿一采區(qū)回風(fēng)巷掘進(jìn)90.218 m，然后以+15°向上掘進(jìn)167.155 m后達(dá)到距15#煤層頂板20 m的砂質(zhì)泥巖層中，并以砂質(zhì)泥巖頂板為巷道頂板向前掘進(jìn)，至巷道底板標(biāo)高為+1 167.1 m時(shí)以平巷掘進(jìn)，直至與1102切眼貫通。

如上所述，在回采范圍內(nèi)1102高抽巷在15#煤層頂板以上約20 m，與回風(fēng)巷的水平距離為50 m.

高抽巷施工完成后，在巷口建3道密閉墻，并插入管路進(jìn)行抽采，1102高抽巷封閉方案示意圖見圖1.

圖1 1102高抽巷封閉方案示意圖

2.2.3 回風(fēng)巷鉆場(chǎng)穿層鉆孔設(shè)計(jì)

該方法對(duì)采空區(qū)冒落帶內(nèi)的瓦斯有較好的抽采效果，能在采空區(qū)瓦斯未進(jìn)入上隅角區(qū)域前進(jìn)行攔截，減輕上隅角瓦斯治理負(fù)擔(dān)。

根據(jù)《設(shè)計(jì)說明書》，回風(fēng)巷掘進(jìn)時(shí)在切眼側(cè)巷幫施工鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距40 m(17#鉆場(chǎng)距切眼60 m)，鉆場(chǎng)尺寸為深4 m×寬4.5 m×高3.5 m，通風(fēng)為擴(kuò)散通風(fēng)。在鉆場(chǎng)內(nèi)向采空區(qū)冒落帶上方施工鉆孔，使孔底處于冒落帶的上方，使其處于高濃度帶內(nèi)，捕獲冒落破壞帶的瓦斯。根據(jù)1101工作面穿層鉆孔施工經(jīng)驗(yàn)，15#煤上部有一層黃土層，鉆孔終孔應(yīng)控制在該黃土層以下，即煤層頂板以上13 m. 設(shè)計(jì)每個(gè)鉆場(chǎng)施工5個(gè)上向鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，鉆孔控制范圍為回風(fēng)巷側(cè)水平距離50 m左右。1102工作面可采長(zhǎng)度為680 m，則回風(fēng)巷共需施工17個(gè)鉆場(chǎng)，穿層鉆孔總長(zhǎng)度為5 040.5 m.

2.2.4 采空區(qū)預(yù)埋管抽采設(shè)計(jì)

礦井采空區(qū)采用預(yù)埋管法進(jìn)行抽采，即將抽采管在頂板冒落之前直接預(yù)埋或砌筑于采空區(qū)內(nèi)對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。1102工作面采用U型通風(fēng)，采空區(qū)的瓦斯在風(fēng)壓作用下易在回風(fēng)側(cè)(上隅角)積聚，采用采空區(qū)埋管(為了取得較好的抽采效果，應(yīng)盡量使抽采口處于煤層頂部濃度較高的區(qū)域內(nèi))，可將采空區(qū)大量瓦斯抽出，減小瓦斯涌向工作面，避免上隅角瓦斯超限。由于該礦15#為自燃煤層，在進(jìn)行采空區(qū)抽采時(shí)，應(yīng)合理控制抽采負(fù)壓。采空區(qū)預(yù)埋管抽采設(shè)計(jì)示意圖見圖2.

圖2 采空區(qū)預(yù)埋管抽采設(shè)計(jì)示意圖

2.2.5 封閉采空區(qū)抽采設(shè)計(jì)

1102工作面結(jié)采后，回風(fēng)順槽永久密閉施工時(shí)，將一根d400 mm瓦斯管插入密閉內(nèi)采空區(qū)10 m，對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。

由于采空區(qū)密封性較差，瓦斯?jié)舛炔粫?huì)太高，并且波動(dòng)很大，為確保整個(gè)抽采系統(tǒng)的瓦斯不低于安全濃度以下，所以插管與主管連接處必須設(shè)閥門，節(jié)流孔板和濃度檢測(cè)口，以便于及時(shí)檢測(cè)抽出的瓦斯?jié)舛?、流量。封閉采空區(qū)抽采設(shè)計(jì)圖見圖3.

圖3 封閉采空區(qū)抽采設(shè)計(jì)圖

2.3 抽采效果檢驗(yàn)

2.3.1 封閉采空區(qū)抽采設(shè)計(jì)工作面瓦斯抽采量

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(AQ1026-2006)，突出煤層工作面采掘作業(yè)前必須將控制范圍內(nèi)的瓦斯含量降到煤層始突深度的瓦斯含量以下或降到8 m3/t以下；采煤工作面日產(chǎn)量2 501～4 000 t時(shí)回采前煤的可解吸瓦斯量應(yīng)≤6 m3/t，根據(jù)集團(tuán)公司要求回采前煤的可解吸瓦斯量應(yīng)≤4 m3/t. 同時(shí)根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，突出礦井突出煤層回采前必須對(duì)煤層進(jìn)行預(yù)抽，將煤層瓦斯含量降到8 m3/t以下。

2.3.2 回采工作面瓦斯抽采量計(jì)算

1) 本煤層瓦斯預(yù)抽量計(jì)算。

根據(jù)《設(shè)計(jì)說明書》，單孔瓦斯抽采量取0.033 2 m3/min，則1102工作面順層孔預(yù)抽量為：

W1102=0.033 2×(138+137)=9.13 m3/min

2) 預(yù)抽后工作面瓦斯含量。

1102工作面最大瓦斯含量為6 m3/t，回采工作面順層孔預(yù)抽量9.13 m3/min，預(yù)抽期暫定90天，則工作面瓦斯抽采量為：9.13×90×1 440=1 183 248 m3. 1102工作面瓦斯儲(chǔ)量為：150×680×6.0×1.35×6=4 957 200 m3. 則經(jīng)過順層孔預(yù)抽后噸煤鉆孔量降為：(4 957 200-1 183 248)/[150×680×6.0×1.35]=4.57 m3/t. 預(yù)抽后煤層瓦斯含量小于8.0 m3/t，滿足規(guī)定要求。

3) 預(yù)抽后工作面可解吸瓦斯量。

(5)

式中：

Wj—煤的可解吸瓦斯量，m3/t；

Wg—抽采后煤的瓦斯量含量，m3/t；

Wc—煤的殘存瓦斯含量，m3/t，取3.8.

經(jīng)計(jì)算，抽采后工作面可解吸瓦斯量為：1102工作面Wj=4.57 -3.8=0.77 m3/t<4.0 m3/t，滿足《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的規(guī)定及集團(tuán)公司要求。

4) 本煤層邊采邊抽量計(jì)算。

工作面開始回采后，隨著工作面的推進(jìn)，工作面后方順層鉆孔報(bào)廢，而在工作面前方未破壞的順層鉆孔仍然繼續(xù)起著作用，經(jīng)過回采前煤層的預(yù)抽，煤層瓦斯含量降低，根據(jù)鄰近礦區(qū)抽采經(jīng)驗(yàn)，采用本煤層順層鉆孔抽采，邊采邊抽瓦斯量預(yù)計(jì)為預(yù)抽量的30%～40%，本設(shè)計(jì)取35%來(lái)計(jì)算。

通過計(jì)算，1102工作面邊抽邊采量為3.20 m3/min；工作面瓦斯抽采量(預(yù)抽與邊抽邊采合計(jì))為：12.33 m3/min.

5) 鄰近層瓦斯抽采量計(jì)算。

1102工作面鄰近層瓦斯涌出量為12.18 m3/min，高抽巷瓦斯抽采率按照《設(shè)計(jì)說明書》取80%，則高抽巷對(duì)鄰近層的瓦斯抽采量為9.744 m3/min.

6) 采空區(qū)瓦斯抽采量計(jì)算。

《設(shè)計(jì)說明書》預(yù)測(cè)，一采區(qū)回采工作面采空區(qū)瓦斯涌出量為12.59 m3/min，預(yù)計(jì)采空區(qū)瓦斯抽采量為3.78 m3/min.

7) 工作面通風(fēng)能力驗(yàn)證。

1102工作面瓦斯涌出量為18.45 m3/min，抽采量為12.33 m3/min，抽采后需要風(fēng)排瓦斯量為6.12 m3/min，15#煤回采工作面設(shè)計(jì)風(fēng)量為2 400～3 000 m3/min，回采工作面風(fēng)排瓦斯能力：q=3 000×0.8%/1.2=20 m3/min，回采工作面通風(fēng)能力能滿足生產(chǎn)要求。

3 結(jié) 論

通過分析阜生礦1102工作面瓦斯來(lái)源，掌握了1102工作面瓦斯涌出特征，分析表明正?；夭善陂g1102工作面相對(duì)瓦斯涌出量為7.59 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為18.45 m3/min. 針對(duì)該工作面瓦斯涌出狀況，設(shè)計(jì)采用了“順層鉆孔抽采、高抽巷抽采、采空區(qū)預(yù)埋管抽采、回風(fēng)巷鉆場(chǎng)穿層鉆孔和封閉采空區(qū)抽采”相結(jié)合的綜合抽采方法。對(duì)抽采措施進(jìn)行效果檢驗(yàn)，結(jié)果表明，預(yù)抽后工作面瓦斯含量降至4.57 m3/t，降到8 m3/t以下，滿足規(guī)定要求。綜合措施的采用使回采工作面瓦斯得到了有效控制，解決了高瓦斯突出煤層開采的瓦斯治理問題。

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Application and Research on Comprehensive Control Measures for Gas in Fusheng Coal Mine 1102 Working Face

GE Guofeng

In order to solve the problem of gas in the process of high gas outburst coal seam mining, taking 1102 working face of Fusheng coal seam as an example, the gas emission characteristic of 1102 working face is analyzed. The analysis shows that the relative gas emission quantity is 7.59 m3/t, the absolute gas emission quantity is 18.45 m3/min in the normal recovery process of 1102 working face. According to the situation of gas emission, the methods of bedding drilling drainage, high gas drainage roadway drainage, gob pipe drainage, air return roadway drilling field borehole and closed goaf drainage integrated drainage are adopted. The effect of drainage measures are inspected, the results show that the comprehensive measures can effectively control the gas in the working face and solve the problem of gas control in the mining of high gas outburst coal seam.

Gas prevention; Predicting gas emission quantity; Extraction measures; Extraction effect

2017-03-22

葛國(guó)鋒(1991—)，男，河南新蔡人，2012年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦瓦斯治理工作

(E-mail)13838910327@163.com

TD712+.6

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1672-0652(2017)05-0011-05