新疆眾維煤業低解吸厚煤層瓦斯綜合治理技術

趙忠賢

(河南能源新疆公司拜城縣眾維煤業有限公司, 新疆 阿克蘇市 842300)

我國高瓦斯礦井分布較為廣泛,在回采過程中經常發生瓦斯超限現象,影響正常作業,嚴重的會引發瓦斯爆炸等事故,造成巨大的生命財產損失[1-3]。國內研究人員針對瓦斯抽采問題進行了大量研究,取得了許多成果:喬權偉[4]為解決王村礦瓦斯涌出超限問題,采用采前預抽、邊采邊抽及裂隙區域聯合抽采等綜合治理方案,取得了良好抽采效果;焦向東[5]針對平煤八礦低透氣性煤層,通過穿層鉆孔預抽,再施工本煤層瓦斯抽采鉆孔,提高了抽采效率;魏秀軍[6]為解決新景公司采空區瓦斯涌入問題,采用高抽巷及采空區瓦斯鉆孔等手段,顯著減少了工作面瓦斯涌入量。上述研究多側重于瓦斯涌出量大及煤層透氣性低的條件,而對于低解吸厚煤層的瓦斯治理方法研究較少。

新疆庫拜煤田眾維煤業屬高瓦斯礦井,其主采Ⅳ13煤層為低解吸厚煤層,瓦斯治理難度較大。為實現Ⅳ13煤層的高效抽采,本文結合礦井生產條件,設計了一套瓦斯綜合抽采方法,為礦井的安全生產提供保障,并為庫拜煤田的瓦斯治理提供有益思路。

1 工程概況

拜城縣眾維煤業有限公司主采Ⅳ13煤層,煤層厚度1．78~10．92 m,平均4．92 m,煤層傾角26°~32°,頂板一般為含炭泥質粉砂巖,含炭粉質泥巖、巖質泥巖,厚度2．91 m,頂底板巖性基本相同。進行瓦斯治理的區域主要為＋2193 m水平以下三采區,實測煤層瓦斯壓力峰值0．34 MPa,瓦斯含量平均8．75 m3/t,最大瓦斯含量13．04 m3/t。煤層透氣性系數0．4986~3．957 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減系數0．039~0．127 d-1,超前鉆孔有效排放半徑0．5~1 m。三采區瓦斯含量等值線分布見圖1。

該礦主要面臨有兩大技術難題:一是煤層厚度、傾角變化大,地質條件復雜,開采難度高;二是煤層瓦斯含量高、吸附瓦斯含量大,抽采作業困難。為解決該復雜地質條件下的瓦斯治理問題,需因地制宜設計一套瓦斯治理實際的抽采技術。

圖1 三采區瓦斯含量等值線分布

2 瓦斯治理實施方案

根據抽采位置的不同,現有瓦斯抽采技術主要劃分為四類,其中本煤層抽采主要用于高瓦斯煤層情況,鄰近層抽采主要針對鄰近層瓦斯涌出量大,影響開采安全的條件,采空區抽采主要應用于無自燃危險的煤層,圍巖抽采主要針對圍巖瓦斯涌出量大或有封存高壓瓦斯的情形。

通過對比分析現有的技術,結合眾維煤業的地質條件,確定將多種方法有機結合,提出一種瓦斯綜合抽采技術作為其瓦斯治理方案,其方法是:掘進工作面結合預抽和邊掘邊抽;回采工作面應用預抽和邊采邊抽;采空區采用高位鉆孔抽采和埋管抽采。

2．1 掘進工作面瓦斯治理

工作面掘進時,兩幫產生2條卸壓條帶,內部空隙裂隙發育,瓦斯易于擴散,因此在該部分布置預抽和邊掘邊抽鉆孔進行瓦斯抽采。

預抽是指在掘進工作面掘進前,向前方煤體施以扇形鉆孔抽采瓦斯的舉措,鉆孔布置如圖2所示。鉆孔超出上幫范圍外20 m,下幫范圍外10 m,通過測得的有效抽采半徑,確定預抽鉆孔終孔間距為2~5 m。鉆孔長度60~100 m,保證預抽鉆孔超前距要大于20 m。孔徑Φ75 mm,為保證抽采效果,封孔深度大于12 m。

圖2 掘進工作面預抽鉆孔布置平面圖

在進行預抽之后,掘進工作面邊掘邊進行瓦斯抽采,同樣在巷道兩側卸壓區布置鉆孔,以提高抽采效率[7-8]。在掘進工作面后方兩側各施工一個鉆場,長×寬×高為4 m×3 m×2．4 m,同側相鄰2個鉆場的間距50 m,鉆孔孔徑75 mm,有10~15 m超前距,鉆孔分布于左右兩幫各15 m的煤體內,鉆孔與水平面夾角與煤層傾角相同,具體布置情況見圖3。

圖3 掘進工作面邊掘邊抽鉆孔布置示意

2．2 回采工作面瓦斯治理

根據煤層賦存情況及巷道布置,從回采工作面兩翼回采巷道向煤層施工順層鉆孔,既可以作為工作面回采前的預抽鉆孔,也可以在工作面回采至鉆孔前方時作卸壓瓦斯鉆孔,一孔多用,可以提高瓦斯抽采量及減少鉆孔成本[9-10]。

回采工作面瓦斯抽采鉆孔分布于上下回采巷道,各為兩排,傾角按煤層傾角設計,運輸平巷開孔高度設計為0．4 m和0．8 m,回風平巷開孔高度設計為0．8 m和1．2 m。由于下向鉆孔施工比較困難,運輸平巷鉆孔長度略短一些,設計為70 m;回風平巷施工上向鉆孔,鉆孔長度設計為100 m,鉆孔分布情況如圖4所示。根據三采區掘進工作面抽采情況對回采工作面鉆孔進行調整,每排預抽鉆孔間距暫設計為5 m。鉆孔直徑為75 mm,可根據實際情況適當增大鉆孔直徑。

圖4 1301采煤工作面順層抽采鉆孔布置示意

2．3 采空區瓦斯治理

當工作面開采距離較大時,其后方采空區上部垮落的巖層逐漸壓實趨于密閉,但在采空區周邊形成一個透氣性能較好,且瓦斯聚集的類似“O”型的裂隙發育帶[11-13]。針對采空區后方的“O型圈”,可以采用高位鉆孔抽采和采空區埋管抽采2種方法來并行處理采空區瓦斯。

由于采動引起的頂板裂隙發育,使得頂板上方瓦斯聚集,因此采用高位鉆孔從回風平巷內向煤層頂板施工鉆孔以抽采瓦斯[14-15]。具體實施參數為:在工作面前方回風平巷內迎工作面向頂板呈扇形施工5個孔深為100 m左右的高位鉆孔,鉆孔傾角按32°~38°布置,為使鉆孔能夠有效抽采瓦斯,終孔點需在煤層頂板裂隙內,沿傾向距離回風巷25 m,合理封孔深度為5~6 m;鉆場沿回風巷巷幫布置,每隔50 m一個,長4 m,寬3 m,高2．4 m,采用錨網支護;每個鉆場內布置5個鉆孔,呈扇形布置,見圖5。

圖5 高位鉆孔抽采瓦斯方法示意

采空區埋管抽采是指在工作面采空區鋪設瓦斯抽采管道以抽采采空區瓦斯的措施[16-17],具體是指在回風巷道沿底板鋪設一趟瓦斯抽采管道,在距工作面切眼80 m左右處將其抬高至巷道頂部,并在巷道頂部分叉為4趟鋼管。4趟抽采管道的管口依次相距3~5 m,抽采管口采用篩網進行保護,抽采管道采用沙袋墻進行保護。分叉管路和總管路各有單獨的閥門控制,以便管路適時開合。1,2,3,4號抽采管道埋管口分別布置在采空區9~15,6~10,3~5,1 m深度處,具體布置如圖6所示。當工作面推進至2號抽采管道管口附近時,關閉1號管道閥門,并在上隅角卸掉1號管道,以此類推循環前進。

圖6 采空區埋管抽采方法平面布置

3 瓦斯治理效果分析

3．1 鉆孔瓦斯濃度分析

以11號鉆場為例,通過瓦斯濃度實測發現,初始瓦斯濃度普遍達到40%以上,個別鉆孔甚至能夠達到70%。鉆孔瓦斯濃度隨時間增長呈遞減趨勢,開始抽采15 d內瓦斯濃度能夠保持在較高狀態,超過15 d后逐步衰減,但在45 d內鉆孔瓦斯濃度普遍保持在10%以上。實測數據充分表明,現采用的瓦斯抽采鉆孔布置合理,進行瓦斯抽采措施時,鉆孔瓦斯濃度較高,達到了預期的抽采效果。

3．2 掘進工作面瓦斯濃度分析

1301下順掘進工作面未采取瓦斯抽采措施,1301上順反掘工作面和1301下順反掘工作面實施瓦斯抽采。由于1301下順掘進工作面未實施瓦斯抽采,當其進行正常的超前鉆探作業,探測鉆孔進入瓦斯異常帶內時,大量的瓦斯從鉆孔涌出到工作面,造成瓦斯濃度超限;而實施瓦斯抽采措施的1301上順反掘工作面和1301下順反掘工作面瓦斯的濃度均小于0．01%。可見,實施瓦斯抽采措施后,工作面瓦斯涌出量顯著減少,得到了有效治理,瓦斯涌出控制在安全的范圍之內,為礦井安全生產提供了一定的基礎。

3．3 掘進速度分析

由于掘進工作面采取瓦斯抽采措施,瓦斯超限現象大幅減少,瓦斯對工作面掘進速度的影響顯著下降,使得工作面月掘進速度從50 m左右提高到100 m左右,掘進速度提高一倍。之后又針對掘進工作面產生瓦斯超限現場及其原因進行分析,進一步優化設計相關瓦斯抽采參數,實施了優化瓦斯抽采措施之后,掘進速度由原來的100 m/月提高到150 m/月。由此可見,實施優化后瓦斯抽采措施的抽采效果十分明顯,滿足了安全、快速、高效的掘進要求。

4 結 論

(1)針對新疆庫拜煤田眾維煤業高瓦斯、低解吸、厚煤層的情況,設計了一套瓦斯綜合抽采方法,即掘進工作面采用掘進預抽和邊掘邊抽;回采工作面采用采前預抽和邊采邊抽;采空區瓦斯抽采采用高位鉆孔抽采和埋管抽采。

(2)應用該瓦斯綜合抽采方法,瓦斯治理取得了明顯的效果:鉆孔瓦斯濃度普遍保持在10%以上,鉆孔瓦斯濃度較高,達到了預期抽采效果;掘進工作面瓦斯濃度無超標現象,瓦斯涌出控制在安全的范圍之內;掘進速度顯著提高,由原來的50 m/月提高到150 m/月。