高瓦斯易自燃綜放工作面瓦斯防治技術研究

馬小輝 王 巖

(1.陜西彬長礦業集團小莊礦業公司,陜西 713600;2.煤炭科學研究總院沈陽研究院,遼寧 110016)

1 礦井及40106綜放工作面概況

彬長礦業集團公司大佛寺煤礦主采煤層為侏羅紀4#煤層和4上煤層。4#煤層構造簡單,賦存穩定,厚度13.4～16.5m,平均厚度15.1m,屬于硬質透氣性較好煤層,瓦斯解吸快。

40106綜放工作面是彬長公司大佛寺礦井下緊貼4#煤中央輔助運輸大巷并在其東側沿煤層走向設計布置的第三個綜采工作面。回風順槽和運輸順槽及灌漿巷沿煤層走向布置,兩順槽均沿煤層底板且留2m左右底煤布置;切眼垂直于兩順槽,沿煤層傾向布置;灌漿巷從輔助運輸大巷開口,平行布置在回順外側,相距30m凈煤柱。工作面巷道采用雙“U”型布置方式。

大佛寺401采區4#煤層瓦斯基礎參數值如見表1。

表1 4#煤層瓦斯基礎參數值

40106工作面初期選用兩進一回通風系統,后期選用三進一回通風系統。40106回采工作面總配風量為2040m3/min。

2 采后高位卸壓鉆孔瓦斯抽放原理

由巖石力學理論可知：煤層隨工作面回采,在工作面周圍將形成一個采動壓力場。采動壓力場及其影響范圍在垂直方向上形成3個帶,即垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。在水平方向上形成三個區,即煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區。

在“橫三區”,受采動影響煤壁游離瓦斯釋放,采空區殘煤釋放的瓦斯在垮落帶與重新壓實區形成瓦斯積聚層。在“豎三帶”中,裂隙帶內的巖層裂隙發育,透氣性好,是瓦斯流動的通道,且受外界空氣流動影響小,形成瓦斯積聚的空間。

高位鉆孔布置在裂隙帶內,受采動影響較小,不易受到破壞。在抽放鉆孔的負壓作用下,瓦斯快速流動,使高位鉆孔能夠抽出高濃度瓦斯。

圖1 鉆孔布置示意圖

3 40106工作面瓦斯抽放

根據大佛寺煤礦實際生產及瓦斯治理經驗,40106工作面主要采用采前、掘前預抽,采后卸壓抽放、上隅角埋管抽放和高位瓦斯抽放巷抽放及風排瓦斯的綜合瓦斯治理措施。

3.1 采后高位卸壓鉆孔設計

在40106灌漿巷中每50m布置一組瓦斯抽放鉆孔,每組布置5～9個鉆孔,利用鉆孔抽放采空區內的瓦斯,在本次實踐中共選擇施工不同層位卸壓鉆孔四種,觀察鉆孔共7組。

層位一：鉆孔終孔位置在煤層頂板。

層位二：鉆孔終孔位置在煤層頂板以上4m。

層位二：鉆孔終孔位置在煤層頂板以上12m。

層位二：鉆孔終孔位置在煤層頂板以上17m。

鉆孔設計參數如表2。

表2 鉆孔設計參數表

3.2 封孔工藝

大佛寺礦4#煤層含水量大、鉆孔孔徑大,選擇合適的封孔材料,對封孔效果和后期的抽放效果都有很大的影響。依據大佛寺礦和其他煤層賦存條件相似礦井封孔經驗考察,對不同封孔材料選取對比,最終選用馬麗散封孔。通過后期抽放效果檢驗表明,選擇馬麗散材料封孔,遇水能更快發生反應,填堵孔壁裂隙,從而能大大提高抽放效率。

馬麗散是一種由樹脂和催化劑兩種成分組成的聚亞安酯產品,具有滲透性強、凝固時間短、強度大等特點,在壓力的作用下能以液體狀態滲透到裂隙中,與水反應形成致密的隔水層封閉水流,有效封閉鉆孔水。用它作封堵鉆孔及其內滲水裂隙的封孔材料,具有極大的可行性。

鉆孔采用馬麗散封孔,馬麗散封孔采用卷纏藥液法及鉆孔內封孔管結構。

抽放管為外徑50mm的抗靜電塑料管,每根長為6m。每個鉆孔需抽放管9m,即1.5根抽放管,故每個鉆孔需要封孔9m。將第一根抽放管距端部1m處用鐵線纏緊固定一塊毛巾布 (1.2m×0.6m),毛巾上澆淋1.3kg馬麗散裹好并用鐵絲纏緊加固。每隔1m照此方法在抽放管上纏繞一個澆淋馬麗散的毛巾。兩根抽放管之間用連接管連接緊固。

孔口處用水泥砂漿密閉,避免封孔管晃動影響封孔質量。

3.3 鉆孔與管路的連接

馬麗散封孔后,待完全膨脹凝固后鉆孔抽放管便可與抽放管路連接。鉆孔與管路連接處應設置流量計和放水裝置,每個鉆場安設一個孔板流量計。鉆孔封孔器與抽放管路的連接,每個鉆場安裝一套氣水分離器。

4 瓦斯抽放效果分析

40106工作面生產期間,預測瓦斯涌出量76.45m3/min,工作面配風量為2040m3/min。在工作面初采出放前期,上隅角在預設瓦斯抽放的情況下,上隅角袋子墻外瓦斯濃度在0.7%～0.9%左右。

從圖2分析,鉆孔終孔在煤層頂板位置時,瓦斯抽放濃度低且起伏大,抽放濃度平均在5%左右,不能更有效的解決上隅角瓦斯。

圖2 距工作面不同層位一鉆孔抽放濃度分布圖

鉆孔終孔在煤層頂以上4m時,瓦斯抽放濃度在距工作面28m前,幾乎沒有變化,平均在4%,無抽放價值,如圖3所示。

圖3 距工作面不同層位二鉆孔抽放濃度分布圖

從圖4分析,鉆孔終孔在煤層頂以上12m時,距工作面10m前瓦斯抽放濃度較低,平均為5%,不能有效解決工作面上隅角瓦斯;后期雖然抽放濃度較高,在10%～22%之間,且抽放周期短,給工作面防滅火帶來極大的不便。

圖4 距工作面不同層位三鉆孔抽放濃度分布圖

鉆孔終孔在煤層頂以上17m時,瓦斯抽放濃度基本穩定在8%～14%之間,平均抽放濃度為10%,如圖5所示。由以上分析可以看出層位四鉆孔抽放濃度高且穩定、抽放流量大。

圖5 距工作面不同層位四鉆孔抽放濃度分布圖

在鉆孔層位布置在頂板17m左右時,瓦斯抽放濃度穩定在8%～14%左右,且持續時間較長,工作面上隅角瓦斯濃度降低到0.4%～0.5%之間,隨工作面推移,瓦斯濃度較為穩定,能有效抽放瓦斯。

層位四鉆孔終孔布置在頂板17m左右處即位于頂板裂隙帶內,鉆孔布置在這個層位,頂板裂隙作為瓦斯流動通道,可以很好的抽放工作面煤壁以及上隅角涌出的瓦斯,能夠從源頭上截斷涌入工作面的瓦斯,能更有效的解決工作面初采初放期間的工作面上隅角瓦斯抽放。

5 結論及建議

(1)大佛寺礦40106工作面采用利用采后高位卸壓瓦斯抽放鉆孔解決工作面上隅角瓦斯,層位四鉆孔布置在煤層頂板裂隙帶內時,抽放濃度高且穩定,有很好的抽放效果,使回風流中瓦斯濃度大大降低,解決了上隅角瓦斯超限的問題,提高工作面安全生產能力,并能為下一步礦井瓦斯利用提供穩定的高濃瓦斯。

(2)通過鉆孔封孔后及抽放期間觀察,采用馬麗散作為封孔材料能夠封堵鉆孔滲水裂隙,取得很好的鉆孔堵水效果,封孔效果得到很大提高,對后期的瓦斯抽放效果的提高起到了很大的作用。證明采用馬麗散作為含水量大的煤層抽放鉆孔封孔材料合理可行,為以后瓦斯抽放鉆孔封孔材料選擇提供借鑒及參考。

(3)通過采后卸壓瓦斯抽放鉆孔的優化與抽放參數的調整,選擇合理綜合治理方法,采取行之有效的措施治理40106工作面的瓦斯,確保了安全生產。

(4)通過40106工作面采后卸壓瓦斯抽放鉆孔層位設計布置的分析研究,為抽放鉆孔設計優化提供了理論依據,更好的服務安全生產。

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