四川龍灘煤礦階段接替式高抽孔瓦斯抽放技術

唐道春 毛薪杰

(四川華鎣山龍灘煤電有限責任公司)

龍灘煤礦于2010年4月建成投產，開采單一近水平、緩傾斜K1煤層，煤層瓦斯含量為8～11 m3/t、瓦斯壓力為0.8～1.5 MPa，堅固性系數為0.2～0.55；煤層瓦斯放散初速度為666.4～2 265.76 Pa；煤層屬Ⅱ類自燃發火傾向性煤層，最短發火期63 d，煤塵具有爆炸危險性。礦井2016年度絕對瓦斯涌出量32.08 m3/min，相對瓦斯涌出量13.23 m3/t，屬煤與瓦斯突出礦井。為對該礦回采工作面進行有效的采前瓦斯治理，通風系統由傳統的U型調整為W型。經過近年來生產發現，W型通風系統隨著采空區瓦斯涌出量的增大，伴隨有中隅角瓦斯超限問題出現。主要原因為：①該礦井田南翼開采層(K1煤層)的上覆K2煤層發育，回采后工作面采空區遺留的部分K2煤層成為采空區遺煤瓦斯涌出源；②南翼工作面底板裂發育，回采后在礦山壓力的作用下，采空區內易導通高濃度底板圍巖裂隙瓦斯，增加了采空區瓦斯涌出源；③中隅角風流處于渦流狀態，通風不暢，易造成瓦斯積聚[1-5]。工作面回采后，隨著工作不斷向前推進，尤其是在后期回采過程中采空區瓦斯涌出量常常隨著采空區面積的增大而增加，給礦井安全生產帶來了極大威脅[6-7]。井田南翼工作面采空區瓦斯涌出呈現出強度高、濃度大、不均衡性的特征，使得治理難度增大[8-10]。傳統瓦斯治理思路(在中隅角設置引風障稀釋瓦斯，增大工作面風量或安設銅質局扇抽排等)無法滿足瓦斯防治要求，南翼工作面中隅角瓦斯超限一直是礦井安全生產的隱患。對此，本研究以該礦3111S工作面為例，提出階段接替式采空區瓦斯綜合抽放措施治理中隅角瓦斯，確保該工作面安全生產。

1 工作面概況

龍灘煤礦3111S工作面走向長840 m、傾斜長240 m，位于龍王洞背斜東翼，井田南翼。該工作面以西為3112S采空區，以東為3113S采空區，3111S開切眼以南為450集中運輸石門、440集中回風石門、312N底抽石門，工作面中順下方有450南回風大巷。該工作面回采區域含煤2層(K2、K1煤層)，K2煤層不可采，平均厚度0.3 m，下距開采層K1煤層的平均層間距為5.5 m；K1煤層總厚1.14～2.00 m，平均1.74 m，開采標高497.3～542.0 m，煤層傾角6°～8°。工作面K1煤層瓦斯含量9.55 m3/t、瓦斯壓力1.08 MPa，煤層透氣性系數平均為3.47 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數平均為0.023 8 d-1。

2 瓦斯治理技術方案

2.1 高抽孔治理技術方案

第1階段利用311采區南翼邊界臨近的312N底抽石門施工向上高位鉆孔進行瓦斯抽放(圖1)；第2階段利用在3111S中順施工的“搭接式”向上高位鉆孔進行瓦斯抽放(圖2)；第3階段利用3111S中順下方煤巷掘進前施工的穿層孔進行采空區瓦斯抽放(圖3)；第4階段利用3111S中順回風聯絡巷高位鉆場內施工的高位長鉆孔進行采空區瓦斯抽放(圖4)。各階段施工的高抽孔設計終孔位置均在8～15倍采高的裂隙帶內，鉆孔孔徑均為 94 mm。

圖1 第1階段高抽孔布置

圖2 第2階段高抽孔布置

圖3 第3階段穿層孔布置

圖4 第四階段高抽孔布置

2.2 “搭接式”向上高抽孔封孔技術方案

由于高位鉆孔終端位于裂隙帶范圍內，封孔設計思路是封過冒落帶區域，使抽采負壓點盡可能向裂隙帶靠近。即孔底篩管盡可能封在裂隙帶范圍內，如圖5所示L有效范圍內。若預埋管需布置于鉆孔深度的2/3或至少封堵1/2孔深范圍時，應能夠達到有效的收集裂隙帶內高濃度瓦斯的目的。

圖5 “搭接式”向上高抽孔最優封孔深度

預埋的抽放管選用50PVC管封堵，注漿泵采用BFK-12/2.4型泵，該泵送漿距離為150 m，能夠滿足向上高抽孔封堵的技術要求。

2.3 鉆場高抽孔封孔技術方案

由于鉆場高位孔施工設計深度為260 m，且鉆孔一直處于裂隙帶層位，因此抽采管封堵深度需按50 m設計。

3 瓦斯抽放效果分析

3.1 抽放工程施工

(1)第1階段。2015年6月7日—6月20日該礦防突隊在312N底抽石門21CO8B放線點以西6.7 m位置，在巷道北幫上施工了20個向上高位孔。鉆孔終孔于工作面10～15倍采高位置的裂隙帶內(20～30 m)，沿走向水平投影長度40 m，控制初采3111S工作面走向長度約150 m范圍，即走向距離850～700 m。

(2)第2階段。2015年9月14日—11月26日該礦防突隊在3111S中順440～580 m 范圍內共施工了8組(每組4個孔，共計32個孔)“搭接式”向上高抽鉆孔，鉆孔終孔于距工作面頂板31 m位置(約15倍采高)。該階段主要抽放治理工作面走向距離700～528 m。

(3)第3階段。在掘進3111S中順以前，采用在450南回風大巷施工的3111S中順穿層條帶預抽鉆孔抽放采區中的空瓦斯。該鉆孔于2014年1月8日—4月18日施工，主要治理工作面走向距離528～358 m。

(4)第4階段。2015年4—5月該礦掘進三隊在3111S中順回風聯絡巷施工了高位鉆場，該防突隊于2015年6月3日—9月28日在高位鉆場正磧頭內共施工了16個高位鉆孔，鉆孔按正1°傾角施工，終孔位于距工作面8倍采高(16 m)的裂隙帶內，其中有7個鉆孔施工深度大于220 m，最大孔深達265 m。該階段主要治理工作面走向距離358～83 m。

3.2 抽放效果分析

分析表1及相關監測數據可知：第4階段瓦斯抽放效果最佳，平均抽采濃度達34.8%，單孔最高濃度為92%，純量為2.56 m3/min，是因為工作面推過鉆孔后，采空區頂板垮落僅破壞了鉆孔深度，但鉆孔始終保持在裂隙帶層位，有利于收集高濃度瓦斯，而向上高位鉆孔隨著工作面的不斷推進采空區頂板的垮落對鉆孔的層位變化具有一定的破壞作用，使得鉆孔逐漸進入冒落帶層位，從而導致第1、2階段整體瓦斯抽放效不理想。第3階段在450南回風大巷施工3111S中順穿層鉆孔時，鉆探至底板圍巖裂隙瓦斯，并且工作面推進不會破壞鉆孔，因此該階段瓦斯抽放效果較理想。

表1 工作面采空區瓦斯抽放效果

4 結 語

提出了分階段接替式高抽孔抽放治理采空區及中隅角瓦斯的技術方案，并以龍灘煤礦3111S工作面為例進行試驗，取得了理想成效，對于有效治理工作面采空區及中隅角瓦斯有一定的借鑒價值。