2023年《安全管理》之松软煤层综采工作面的瓦斯综合治理.docx

松软煤层综采工作面的瓦斯综合治理 淮南矿区近年来越来越多地采用综合机构化开采，日产量达5000t的工作面就达5个。但由于生产集中、开采强度大，瓦斯涌出量急剧增加，造成工作面回风流瓦斯超限、采空区瓦斯局部积聚，使正常开采受限，且易形成事故隐患。为发挥高产高效工作面的生产优势，减少事故的发生，寻求瓦斯综合治理技术已成当务之急。 1 采区及工作面概况 西一采区是张集煤矿正式投产时的首采区，13-1煤层为本采区稳定的主采煤层，厚度2.21～6.38m，平均4.42m，煤层结构简单，13-1煤层上部呈粉末或鳞片状，下部呈块状，参差状断口。煤层普氏硬度系数值为0.4～0.8。煤层倾角大部为4°～10°，平均7°。 工作面采用倾斜长壁方式布置，面长200m，倾斜长度1200m。1212工作面采用综采放顶煤方法开采；1215工作面采用一次采全高综采方法开采。设计年生产能力均为200万t。 工作面在开采时，由于采动卸压作用，其上覆的13-2、14-1、14-2、15煤层和下覆的13-1下、12煤层均会不同程度地向工作面涌出瓦斯。两个工作面的上、下邻近煤层赋存参数见表1。 表1 工作面邻近层赋存参数 2 抽放工艺及合理参数确定 2.1 高位钻孔抽放瓦斯 高位钻孔抽放瓦斯实那么是顶板裂隙带抽放，是以工作面回采上方采动压力形成的顶板裂隙作为通道，来抽放煤层卸压瓦斯、采空区上隅角顶部瓦斯和上邻近层卸压瓦斯。其方法是采用扇形不同空间角布孔方式，布孔时必须保证钻孔进入采场上部裂隙带（钻孔仰角根据工作采高及钻场进入工作面顶板岩层内高度来确定）。根据现场应用，在回采面回风巷侧根据钻机能力，每隔一定距离做一个煤层顶板钻场，在钻场内布置抽放钻孔，来抽放回采工作面上隅角瓦斯和上邻近层瓦斯。该方法的技术关键一是准确确定回采工作面上方裂隙带的位置，这与煤层赋存、顶板岩性和开采高度有关；二是抽放钻场作的高度是否到达裂隙带，此关系到抽放钻孔的有效长度，采用该方法是在回风巷侧每80m布置一个钻场，钻场高度位于顶板上方1.5m处，钻场一般布置4～6个钻孔（见图1），直径91mm孔深120m，封孔套管采用直径40mm钢管，封孔材料采用聚氨脂，使用移动式抽放泵和地面抽放系统。 图1 工作面4#钻场钻孔布置示意 考察结果说明： （1） 回采初期，随着工作面的推进，老顶初次来压，直接顶垮落，引起邻近层初次卸压大量的卸压瓦斯涌出，顶板冒落沉降，形成大量连通的裂隙，现场观测结果说明，抽放浓度和抽放量增大，抽放率明显提高（见图2）。 图2 2#钻孔抽放瓦斯浓度变化曲线 （2） 开采层上部有一相距14m左右的14号煤层，来自于上邻近层的卸压瓦斯被抽出，所以整个回采过程中，回采工作面上隅角和回风流中的瓦斯浓度根本没有出现过超限现象。 （3） 倾斜长壁工作面由于受瓦斯赋存规律的影响，处于浅部水平位置的煤层，因其瓦斯含量较低，但由于产量高开采强度大，仅靠采用风排瓦斯来解决回风流和上隅角瓦斯超限问题十分困难，在工作面沿倾向上部位置回风巷侧采用高位钻孔抽放瓦斯使风排瓦斯量明显降低，可使工作面回风流中瓦斯浓度降低到平安浓度以下。在确保工作面平安生产前提条件下实现高产高效（最高日产量到达12022t，平均日产量到达8000t）。 该方法关键是钻场的布置高度，根据已采三个工作面考察结果说明，采用高位钻孔区段经常出现的工作面上隅角瓦斯超限问题，在工作面尚未推进到乙钻场抽放有效范围时甲钻场的钻孔已失去作用，究其原因主要是由于钻孔开孔位置较低造成抽放钻孔有范围太小，尽管钻孔深度达120m，而实际有效范围只有80m左右。鉴于此，钻孔开孔高度越高、倾角越小，抽放钻孔有效抽放范围越大，从抽放效果看，终孔位置在回风巷侧10m处效果最正确。实测说明钻场高度在煤层顶板上岩层内5m处，钻场间距离100m，钻孔深度大于120m，钻孔孔径Φ91mm，封孔长度应确保5m以上。 2.2 高抽巷抽放瓦斯 倾斜长壁工作面由于受瓦斯赋存规律及瓦斯梯度的影响，处于浅部水平位置的煤层，其瓦斯含量较低。而由于采深的逐步加大，处于深部水平位置煤层瓦斯含量相对较高，加之工作面产量高、开采强度大，仅靠采用风排和高位钻孔抽放瓦斯来解决回风流和上隅角瓦斯超限问题十分困难。采用高抽巷方式，它可以直接抽排采空区瓦斯，随着回采工作面的推进，工作面顶板岩石及工作面煤体随应力“三带〞的变化，裂隙逐渐发育，为煤层瓦斯的释放和流动提供了通道，在抽排负压的作用下，煤层中的瓦斯大局部通向高抽巷，减少了向工作面空间的涌出量，效果比较稳定。而且高抽巷的位置处于工作面上隅角顶部的采空区一侧，有效地防止了上隅角瓦斯超限问题。其次，高抽巷密闭后进行抽放时，流量达8～10m3/min，不仅保证了工作面的有效风量，而且减少了采空区的漏风，有效的抑制了采空区遗煤自燃。 根据煤层开采后裂隙带岩层运动规律的观测资料显示，无论沿煤层倾向或沿煤层倾向开采，“冒落带〞、“裂隙带〞在煤柱两侧边缘沿一倾角向采空区内部向上开展，其沿倾向上、下煤柱侧的裂隙边界与煤层夹角和上覆岩块破断角度相近，而裂隙发育区根本处于此裂隙边界向采空区内部一个周期来压步距内。因此，高抽巷布置在该带内较为合理，据此建立与煤层厚度（采高）有关的高抽巷位置的公式为： （1） （2） 式中L上、H上――高抽巷距回风巷的水平及垂直距离，m； M――煤层厚度，m； L――老顶来压周期步距，m； θ――回风巷向上裂隙边界与煤层夹角，（°）； a――煤层倾角。 1212（3）、1215（3）工作面经计算高抽巷位置分别为L上＝12.22m、11.64m；H上＝16.8m、15.9m。 在1212（3）、1215（3）工作面沿倾向下部位置回风巷侧采用高位巷道抽放瓦斯方法。具体布置为：在13-1煤层顶板以上16m回风巷侧内错15m布置一条断面为5m2的巷道（见图3），在高抽巷口构筑密闭，预埋一条Φ425mm抽放管道。 图3 1212（3）瓦斯抽排巷与煤层相对位置图 在抽放过程中对抽放系统管道内的瓦斯浓度和流量进行了连续观测。其抽放瓦斯量在工作面来压以前较小，抽放率较低，工作面来压以后瓦斯抽放量逐渐增大，并到达一个稳定值。 本试验是在倾斜长壁工作面进行的，同时开采层上部有一相距14m左右的14号煤层，来自于上邻近层的卸压瓦斯被抽出，所以整个回采过程中，回采工作面上隅角和回风流中的瓦斯浓度根本没有出现过超限现象。 倾斜长壁工作面由于受瓦斯赋存规律的影响，处于浅部水平位置的煤层，因其瓦斯含量较低，但由于产量高开采强度大，仅靠采用风排瓦斯来解决回风流和上隅角瓦斯超限问题十分困难，在工作面沿倾向下部位置（500m以下）回风巷侧采用高抽巷抽放瓦斯使用排瓦斯量明显降低，可使工作面回风流中瓦斯浓度降低到平安浓度以下。 在采面回采期间抽放瓦斯量为8～12m3/min左右，最大时达15 m3/min。使风排瓦斯量明显降低，根本上消除了工作面上隅角瓦斯超限问题，工作面回风流中瓦斯浓度降低到平安浓度以下。在确保工作面平安生产前提下实现高产高效（最高日产量到达12022t，平均日产量到达8000t）。 1212（3）综放面、1215（3）综采面正常生产时期，抽放瓦斯量占工作面总涌出量的60％。因此，可以看出顶板高抽巷抽放瓦斯是解决工作面上隅角及回风流瓦斯浓度超限的行之有效的措施之一。 通过考察说明，高抽巷布置在工作面靠近上隅角顶板上部的裂隙带内，抽放效果是明显的。 2.3 本煤层瓦斯抽放 回采工作面的本煤层瓦斯抽放，采取的抽放方法主要有顺层钻孔预抽和边采边抽相结合的方法，即在回采工作面的运输槽和回风顺槽，沿煤层向回采区段内打抽放钻孔，孔径为75mm，采用聚安酯快速封孔方法。为争得较长的预抽时间，在回采面形成后即进行钻孔施工，并及时封孔联网抽放。 本煤层瓦斯抽放钻孔的布置方式主要采用顺层平行钻孔布置，由于淮南矿区煤层透气性较差，属于难抽煤层，因此在采用本煤层瓦斯抽放时，要实施对采面附近的动压区抽放来提高本煤层抽放效果。 3 结论 （1） 高位钻孔开孔高度越高、倾角越小，抽放钻孔有效抽放范围越大，从抽放效果看，终孔位置在回风巷侧10m处效果最正确。建议钻场高度最好在煤层顶板上岩层内5m处，钻场间距100m，钻孔深度大于120m，钻孔孔径Φ91mm，封孔深度应确保5m以上。 （2） 高抽巷布置在上隅角顶板裂隙带内较为合理，据此建立与煤层厚度（采高）有关的高抽巷位置公式（略）。