綜采工作面初采初放期間瓦斯治理技術分析

張書赟

(太原煤氣化龍泉能源發展有限公司,山西 婁煩 030300)

在綜采工作面初采初放期間,由于工作面采空區懸頂面積大,采空區內積聚大量瓦斯,隨工作面向前推進,支架后方頂板會逐漸下沉并垮落,特別是出現頂板大面積垮落,此時采空區內的瓦斯會被擠壓出來涌向工作面,導致工作面上隅角及其回風流瓦斯超限,影響安全生產[1-3]。為了找出解決綜采工作面初采初放瓦斯治理的合理辦法,通過對4202工作面初采初放期間瓦斯治理效果進行分析,研究綜采工作面初采初放期間瓦斯治理技術。

1 工作面概況

1.1 工作面井下位置及四鄰采掘情況

4202工作面西側為4條主要大巷:北輔運大巷、北一回風大巷、北膠帶大巷、北二回風大巷;北部為龍泉鐵路專用線保護煤柱;東部為太興鐵路、村莊保護煤柱;南部為4201工作面(回采結束)。

1.2 工作面參數

4202工作面走向長度2 377 m,傾斜長度為215 m,可采長度1 264 m,面積51.11 ha,煤平均厚度為6.47 m,工作面傾角6°～8°,工業儲量為258.5萬t,回采率為82.1%,可采儲量為212.3萬t。

1.3 工作面瓦斯地質情況

4202工作面所采煤層為4號煤,位于太原組頂部,煤厚6.2 m ～ 7.4 m,平均6.47 m。煤層形態較穩定,結構較復雜,含夾石1層～2層。該工作面原煤瓦斯含量為6.64 m3/t,經瓦斯預抽后瓦斯可解析量最大為1.62 m3/t。經山西省煤礦安全設備檢測檢驗中心鑒定,該煤層自燃傾向性為Ⅱ類自燃,具有爆炸性。

2 瓦斯治理措施

2.1 通風方面

2.1.1 通風系統

1)4202工作面初采時采用“U”型通風方式,風流路線如下:

2)4202工作面回采前,在31#橫川靠近4202膠帶順槽側以及4202回風順槽靠近30#橫川里幫施工擋風墻,此后隨工作面往前推進且后溜推過回風橫川時,提前啟封下一個橫川,并在4202回風順槽靠近下一個橫川里幫和回風橫川靠近4202膠帶順槽側各施工一道磚墻密閉(500 mm),保證在工作面推進期間無采空區通風現象。工作面推進過程中在上隅角每隔5 m施工一道黃土墻。圖1為4202工作面通風系統示意圖。

圖1 4202工作面通風系統示意圖Fig.1 Ventilation system of No.4202 working face

2.1.2 風量分配

1)根據臨近工作面初采時最大瓦斯涌出量、《4202工作面瓦斯抽采達標評判報告》瓦斯可解析量以及4202工作面日產量,預計4202工作面初采初放期間最大絕對瓦斯涌出量為22.41 m3/min左右。

2)最終工作面總回風至少配至3 100 m3/min。

3)隨著工作面回采,根據瓦斯涌出量的實際變化情況和瓦斯抽采效果,隨時調整工作面配風量。

2.1.3 通風設施

1)通風構筑物的設置應堅固穩定,并加強管理,及時進行檢查和維修。

2)加強風門、密閉的日常巡檢、維護管理工作,每組風門均設置閉鎖裝置,保證兩道風門不能同時打開,防止風流短路[4]。

2.2 瓦斯抽采

1)在4202膠帶順槽和4202輔運順槽抽放管路Φ323.9 mm,4202回風順槽管路Φ377 mm管路,3條順槽中管路均為螺旋縫埋弧焊鋼管,4202膠帶順槽與4202輔運順槽管路連接至北一回風大巷Φ660 mm高負壓抽采主管路,4202回風順槽管路連至Φ508 mm低負壓抽采主管路。

2)在4202膠帶順槽和4202輔運順槽雙向施工順層長鉆孔,孔深140 m,孔徑75 mm,孔間距3 m,對工作面進行預抽。

3)在4202膠帶順槽上隅角向采空區敷設兩趟抽采支管路,并將支管路并到主管路上,隨著工作面推進將支管路交替斷開并接入所施工的土袋墻內;在4202回風順槽正巷閉向采空區敷設一趟抽采支管路,并將支管路并到主管路上,以便及時進行采空區瓦斯抽采[5]。

4)工作面回采期間,若4202工作面上隅角處瓦斯濃度較高,無法更好的通過風排解決瓦斯情況時,可在4202膠帶順槽靠近煤壁施工采空區裂隙帶高位鉆孔,每個鉆場布置6個鉆孔,鉆孔間距1 m,孔深130 m,三花布置。

5)根據初采情況,及時了解4202膠帶千米鉆場瓦斯情況,利用預先施工好的定向千米鉆孔解決上隅角瓦斯。

3 瓦斯治理效果分析

3.1 工作面初采情況及瓦斯涌出量

4202工作面自2017年8月1日開始初采,截止到8月31日機頭推進55 m,機尾推進51.5 m,平均53.3 m,由于千米鉆孔濃度已趨于穩定,約為3.0 m3/min,認為該面初采初放工作已經結束工作面在初采初放期間,每天對工作面推進度、風量、瓦斯濃度、抽采瓦斯量進行統計,具體情況如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 4202工作面甲烷傳感器布置示意圖Fig.2 Layout of methane sensors on No.4202 working face

圖3 工作面推進度與絕對瓦斯涌出量關系Fig.3 Relationship between working face advancing and absolute gas emission

圖4 瓦斯涌出量走勢圖Fig.4 Gas emission trend chart

3.2 工作面初采期間瓦斯治理技術分析

通過其分析將工作面初采初放分為初采前期、初采中期、初采后期。

3.2.1 初采前期

4202工作面在初采前,通過預測初采期間瓦斯涌出量,將工作面總風量配至3 952 m3/min,其中工作面切眼風量為1 926 m3/min。工作面從8月1日開始初采至8月5日期間瓦斯濃度最大T0為0.38%,T1為0.58%,T中為0.38%,此期間工作面直接頂基本上未垮落,主要通過風排進行瓦斯治理[6]。

3.2.2 初采中期

1)4202工作面在8月6日時T5為0.56%、T中為0.46%,分析預測直接頂開始垮落將采空區大量瓦斯排出,此時工作面機頭推進度為19.7 m,機尾推進度為12.3 m,平均推進度為16 m。到8月8日時絕對瓦斯涌出量達到最大,最大絕對瓦斯涌出量為37.03 m3/min,其中甲烷傳感器瓦斯濃度最大為:T5Max為0.72%,T中Max為0.66%,T2Max為0.62%,T6Max為0.60%。分析預測直接頂大面積全部垮落(現場統計情況:除機頭端頭架外全部正常垮落)此時工作面機頭推進度為22.7 m,機尾推進度為14.1 m,平均推進度為18.4 m。此期間仍然通過風排解決瓦斯涌出,因此通過增大工作面配風量來治理瓦斯,確保初采期間安全生產[7]。

2)由于直接頂開始垮落,瓦斯濃度上升,采取相應措施防止瓦斯超限:通過調節4202回風順槽巷口插板墻通風口;并檢查、維護4202膠帶順槽與4202回風順槽之間的聯絡橫川通風設施減小漏風,來提高工作面配風量,最終工作面風量為4 360 m3/min,其中工作面切眼風量為2 036 m3/min;及時對進風隅角進行退錨處理,并施工風障減少采空區漏風;在上隅角施工土袋墻并埋設抽采管路,及時對上隅角進行瓦斯抽采。

3.2.3 初采后期

4202工作面在8月21日,4202膠帶順槽1#處千米鉆孔濃度開始增大,最大達到5.63 m3/min,且工作面風排瓦斯量明顯下降。分析預測老頂開始垮落(老頂初次來壓),此時工作面機頭推進度為40 m,機尾推進度為33.2 m,平均推進度為36.6 m。此期間主要通過風排以及千米鉆孔解決瓦斯涌出[8-9]。

3.3 千米定向鉆孔

3.3.1 千米定向鉆孔最佳的層位

工作面老頂初次跨落后,千米鉆場4組鉆孔濃度均增大,如表1所示。

表1 千米定向鉆孔觀測數據統計Table 1 Observational data of Kilometer directional drilling

通過觀測數據發現最佳鉆孔是4#千米鉆孔,得出最佳層位是距頂板高度64 m～65 m處,以后工作面頂板合適層位施工千米鉆孔奠定基礎。

3.3.2 存在的問題

由于千米定向鉆孔在頂板裂隙帶施工,綜采工作面在初次來壓之前工作面采空區上覆巖層與千米鉆孔之間未形成裂隙通道[10],抽放瓦斯困難,千米鉆孔不能充分發揮作用,極易造成工作面及回風流瓦斯超限。

4 結束語

1)初采期間加強瓦斯檢查,及時調整風量,加強進風隅角頂板管理并及時退錨,減少采空區漏風。

2)加強工作面預抽工作,降低原煤瓦斯含量。在工作面初采前,做好工作面瓦斯參數測定,為初采提供可靠的預測數據,通過預測配足風量,確保工作面初采安全生產。

3)通過預測的垮落步距,在工作面推進度到達垮落步距前,提前做好瓦斯防治工作。

4)通過預測得出的直接頂垮落步距,以及初采時采高數據,在“U”型通風系統工作面需要提前使用普鉆施工頂板中位鉆孔。預測在工作面推進度大約9 m～10 m,距煤層頂板大約25 m～35 m的位置處施工頂板中位孔,解決直接頂初次垮落時的瓦斯突然涌出。

5)做好基礎數據收集工作,為今后生產過程中瓦斯治理提供數據支持。