大埋深高瓦斯矿井瓦斯治理技术研究_任奇祥.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.008大埋深高瓦斯矿井瓦斯治理技术研究任奇祥（山西沁新煤业有限公司新源煤矿，山西 长治 046000）摘要 大埋深高瓦斯矿井瓦斯涌出量大、回风巷及上隅角瓦斯浓度易超限，一直是煤矿瓦斯治理技术难题，有效治理回风巷及上隅角瓦斯对保障矿井安全高效生产具有重要意义。针对新源煤矿 2#煤层埋深大、瓦斯含量高赋存的特点，研究采用了“顶板高位定向长钻孔（全程下筛管）+采空区埋管+顶板高位普通钻孔”瓦斯治理方法，使得采煤工作面回风巷及上隅角最大瓦斯浓度小于 0.6%，有效促进了矿井安全高效生产。关键词 瓦斯治理；顶板高位定向长钻孔；埋管抽采；上隅角中图分类号TD712文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0025-020引言瓦斯灾害是煤矿五大灾害之一，严重威胁着我国煤矿安全生产1。目前，我国煤矿瓦斯灾害治理方法主要有地面井预抽、开采保护层、本煤层钻孔预抽、邻近层抽采等，以上方法有效防止了煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的发生2-3。但随着我国对煤矿安全生产管理的加强，提出了瓦斯治理“零超限”“零事故”目标。有效治理回风巷及上隅角的瓦斯，防止瓦斯超限，已成为我国煤矿瓦斯治理技术研究的重要课题4。1工程概况新源煤矿生产能力 120 万 t/a，采用斜井开拓方式，以一个水平开采井田范围内 2#煤层，共划分一采区、二采区 2 个采区。该矿 2#煤层最大瓦斯含量为 11.4 m3/t，最大埋深大于 500 m，煤层平均厚度1.8 m，与上邻近层（1#煤层）相距约 20 m；矿井采用综采一次采全高采煤方法，全部垮落法管理顶板，采用 U型通风方式。由于 2#煤层瓦斯含量高、埋深大，与邻近层（1#煤层）相距较近，2#煤层回采期间工作面瓦斯涌出量较大。有效治理 2#煤层回采期间的瓦斯，对保障矿井安全高效生产具有重要意义。2瓦斯治理技术研究2.1瓦斯治理难题新源煤矿 2#煤层埋深大、瓦斯含量高，且邻近层（1#煤层）又位于 2#煤层采动裂隙带范围内，所以 2#煤层回采期间瓦斯涌出量较大。2#煤层顶板多为泥岩、粉砂岩、细粒砂岩，属于中硬顶板。顶板施工高位钻孔易发生塌孔、堵孔等问题，给采煤工作面瓦斯治理造成困难。针对新源煤矿 2#煤层瓦斯赋存特点，研究采用“顶板高位钻孔（全程下筛管）+采空区埋管+顶板高位普通钻孔”瓦斯治理方法，防止采煤工作面瓦斯超限。2.2顶板高位定向长钻孔抽采2.2.1钻孔布置层位（1）竖直层位确定。新源煤矿 2#煤层平均厚度1.8 m，煤层顶板属于中硬顶板，回采时冒落带和裂隙带高度按以下公式计算：Hm=100M4.7M+192.2（1）Hli=100M1.6M+3.65.6（2）式中：Hm为冒落带高度，m；Hli为裂隙带高度，m；M 为累计采厚，m。经计算，2#煤层冒落带高度为 4.358.75 m，裂隙带高度为 22.1833.38 m。所以，确定 2#煤层顶板高位定向长钻孔竖直层位为距 2#煤层顶板 8.7533 m范围。（2）水平控制范围。根据顶板高位定向长钻孔抽采经验，顶板高位定向长钻孔与回风顺槽的投影距离一般为工作面宽度的 1/3，2#煤层采煤工作面切眼平均长度为 210 m。所以，确定 2#煤层顶板高位定向长钻孔水平控制范围为距回风巷 1070 m范围。2.2.2钻孔施工参数在采煤工作面回风巷施工定向钻场（钻场尺寸：里口 8 m外口 12 m深度 5 m高度 3 m），钻场间距 300 m。采用定向钻机向煤层顶板裂隙带施工矿业技术能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1252023 年 2 月Feb.,2023任奇祥大埋深高瓦斯矿井瓦斯治理技术研究定向长钻孔，每个钻场施工 10 个定向长钻孔，孔径200 mm；钻孔垂直方向控制距煤层顶板 8.7533 m范围，水平方向控制距回风巷 1070 m，全程下放直径 89 mm钢制筛管。钻孔布置如图 1 所示。图 1顶板高位长钻孔布置2.3顶板高位普通钻孔补充抽采因断层、陷落柱等地质构造区是顶板高位定向长钻孔塌孔、堵孔严重区域，所以在回风巷普通钻场施工顶板高位普通钻孔进行抽采。每个钻场施工14 个顶板高位普通钻孔，孔径 113 mm。钻孔布置如图 2 所示。图 2顶板高位普通钻孔布置2.4采空区埋管抽采在采煤工作面回风巷沿巷道底板向工作面上隅角铺设 1 趟 529 mm 螺旋加强筋咬合管，用于埋管抽采采空区瓦斯。采空区埋管抽采布置如图 3所示。图 3采空区埋管抽采布置埋管管路在工作面风巷正头处，按 5 m 间距连续安设 3 个 529 mm变 426 mm的异径三通（三通口竖直向上用盖板封堵，安装倒三通用），最后 1个三通距切眼帮 11.5 m。从最后 1 个三通处沿切眼非开采帮向切眼内延伸 10 m，加设 1 个 529 mm变 426 mm 的异径三通。对回风巷内抽采管路上每隔 15 m 安设 1 个 529 mm 变 426 mm 异径三通（三通口竖直向上），三通口用盖板加胶垫封堵，工作面上隅角推进至距三通 510 m处时，将三通上端盖板卸掉，安设 426 mm 倒三通，抽采采空区瓦斯。3瓦斯治理效果分析对 2#煤层回采期间钻场内顶板高位定向长钻孔抽采纯量、采空区埋管抽采纯量及工作面回风巷、上隅角瓦斯浓度等进行跟踪测定，测定结果如图 4、5 所示。图 4定向长钻孔及采空区埋管抽采纯量变化情况（下转第 32 页）工作面推进距离/m采空区埋管抽采876543210抽采纯量/（m3/min）20406080钻场内顶板高位定向长钻孔010012015 m风巷采煤工作面采空区机巷运输顺槽定 1#钻场回风顺槽定 2#钻场定 3#钻场工作面切眼1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#运输顺槽定 1#钻场定 2#钻场DX23 陷落柱区1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#回风顺槽普通钻场262023 年 2 月Feb.,2023指标值考察：经过统计同瓦斯含量区域采取不同瓦斯治理措施后，各巷道掘进期间工作面突出预测指标 q、s 值发现，采用钻孔诱突技术措施后 q、s 值分别降低了 47%和 11%。图 4钻孔诱突与水力冲孔技术措施瓦斯抽采效果对比3结论（1）实践表明，瓦斯含量是突出的主要控制因素，瓦斯含量越高，钻孔诱突时需要的泄煤量越低，突出强度越高。当瓦斯含量大于 9 m3/t 时，钻孔煤与瓦斯突出率明显增加，反之则下降。煤层坚固性系数是影响突出的重要因素，煤层坚固性系数值越大，钻孔诱突时需要的泄煤量越大，突出强度和突出率越小。采取钻孔诱突技术措施后，单孔瓦斯抽放量提高了 241%。（2）问题与思考：钻孔诱突容易造成巷道瓦斯超限，控制突出的关键在于防喷孔装置的研发和应用，大容量、高密封、智能除渣的防喷孔装置有待进一步研发。钻孔诱突技术施工要求巷道具备独立通风系统和完善的防突设施，需要矿井长远规划和布局，保障“抽、掘、采”平衡。参考文献1王恩元，张国锐，张超林，等.我国煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望 J.煤炭学报，2022，47（1）：297-322.2 张兆一.松软煤层水力压裂有效半径影响范围主控因素分析 J.矿业安全与环保，2021，48（4）：99-103.作者简介邵卫华（1982-），男，高级工程师，毕业于河南理工大学采矿工程专业，长期从事矿井瓦斯防治技术工作。收稿日期：2022-07-25水力冲孔钻孔水力诱突钻孔钻孔瓦斯抽采时间/d单孔日抽采瓦斯量/（m3/d）8007006005004003002001000102030400（上接第 26 页）图 5回风巷及上隅角最大瓦斯浓度变化情况由图 4、5 分析可知，钻场内顶板高位定向长钻孔抽采纯量平均为 5.7 m3/min，采空区埋管抽采纯量平均为 3 m3/min，风排瓦斯量平均为 9.2 m3/min，回风巷及上隅角最大瓦斯浓度小于 0.6%。通过采用“顶板高位定向长钻孔（全程下筛管）+采空区埋管+顶板高位普通钻孔”瓦斯治理方法，对 2#煤层采煤工作面瓦斯进行了有效地治理，促进了矿井安全高效生产。4结论结合新源煤矿 2#煤层瓦斯赋存特点，对采煤工作面瓦斯治理方法进行了研究，得出的结论主要为：（1）2#煤层顶板高位定向长钻孔垂直方向控制距煤层顶板 8.7533 m 范围，水平方向控制距回风巷 1070 m 范围；钻场内顶板高位定向长钻孔抽采纯量平均为 5.7 m3/min，采空区埋管抽采纯量为3 m3/min，2#煤层回采期间回风巷及上隅角最大瓦斯浓度小于 0.6%。（2）通过采用“顶板高位定向长钻孔（全程下筛管）+采空区埋管+顶板高位普通钻孔”瓦斯治理方法，对 2#煤层采煤工作面瓦斯进行了有效地治理，有效防止了瓦斯超限。参考文献1陈春春，吴正海.基于顶板“三带”特征的扇形高位钻孔治理上隅角瓦斯技术 J.能源技术与管理，2022，47（2）：49-50.2景贺.东大煤矿采空区瓦斯抽放设计与应用 J.山东煤炭科技，2022（1）：109-111.3徐凯，李天棚.浅谈定向长钻孔在榆树田煤矿的应用 J.煤炭技术，2022，43（1）：136-140.4刘军，赵勇.司马矿 1206 综采工作面瓦斯治理技术研究 J.煤炭工程，2019，51（1）：60-63.作者简介任奇祥（1979-），男，工程师，毕业于中国矿业大学（北京）采矿工程专业，长期从事煤矿“一通三防”及瓦斯灾害防治技术工作。收稿日期：2022-05-12工作面推进距离/m回风巷最大瓦斯浓度上隅角最大瓦斯浓度0.80.70.60.50.40.30.20.10瓦斯浓度/%204060800100能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.132