特厚煤層小煤柱沿空掘巷相鄰采空區(qū)瓦斯置換技術(shù)

劇錦琪

(大同煤礦集團(tuán) 云岡礦，山西 大同 037003)

在大同礦區(qū)石炭系特厚煤層開采過程中，通常采用減小工作面間煤柱來提高資源回收率，但在小煤柱巷道掘進(jìn)期間受到相鄰采空區(qū)高濃度瓦斯涌入的嚴(yán)重威脅。為消除相鄰采空區(qū)高濃度瓦斯威脅，本文以塔山礦C3-5號層8204工作面5204小煤柱巷道為例[1-3]，通過采空區(qū)地面瓦斯抽放和井下注氮方法來治理掘進(jìn)過程中的瓦斯問題，取得了良好效果。

1 工作面概況

塔山礦C3-5號層8204工作面長130.5 m，可采走向長830 m，平均煤厚12.6 m，對應(yīng)地面標(biāo)高1 478.8～1 582.9 m，工作面標(biāo)高1 013～1 035.9 m。工作面共布置3條巷道，1條進(jìn)風(fēng)巷，2條回風(fēng)巷。其中：2204巷為膠帶巷，兼做進(jìn)風(fēng)巷，沿煤層底板掘進(jìn)；5204巷為輔運(yùn)巷，兼做回風(fēng)巷，沿煤層底板掘進(jìn)；8204高抽巷為獨(dú)立回風(fēng)巷，沿煤層頂板掘進(jìn)。5204巷與相鄰?fù)瑢?206采空區(qū)面間煤柱為6 m，設(shè)計(jì)長度為913 m，斷面為寬×高=5.0 m×3.3 m，支護(hù)方式為錨桿+錨索+錨索組合鋼梁+W鋼帶金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。

2 瓦斯涌出機(jī)理

5204沿空巷道掘進(jìn)期間，巷道內(nèi)的瓦斯約有60%以上來自相鄰的8206采空區(qū)(已封閉3年)，主要是因?yàn)樵谙锏琅c采空區(qū)之間僅留有6 m的小煤柱，由于受應(yīng)力場中高應(yīng)力的作用，小煤柱內(nèi)部裂隙較為發(fā)育、破碎形成塑性區(qū)，造成其隔離采空區(qū)氣體的功能減弱，使得8206采空區(qū)瓦斯涌入到5204巷道中，影響工作面的安全高效掘進(jìn)。

3 采空區(qū)瓦斯置換

針對8206采空區(qū)瓦斯嚴(yán)重威脅5204巷安全掘進(jìn)的問題，另辟蹊徑提出一種通過地面鉆孔瓦斯抽放與井下注氮相結(jié)合的方法，利用注入氮?dú)鈦碇脫Q采空區(qū)瓦斯，同時起到一舉三得的效果：既可通過平衡8206采空區(qū)和5204巷道內(nèi)的氣壓來降低采空區(qū)內(nèi)的瓦斯向掘進(jìn)巷道內(nèi)滲入，又可最大程度降低采空區(qū)瓦斯對巷道掘進(jìn)和工作面回采的危險，還可以通過大量注入的氮?dú)舛杌煽諈^(qū)，為之后工作面回采期間的防滅火工作奠定基礎(chǔ)。

3.1 地面鉆孔瓦斯抽放布置

在8206工作面采空區(qū)對應(yīng)地面選取合理位置，布置2個地面瓦斯垂直抽放鉆孔進(jìn)行抽放。基于地表和地下實(shí)際地質(zhì)條件，結(jié)合8206采空區(qū)上覆巖層“豎三帶”分布情況、采空區(qū)“O”形圈理論，瓦斯在采空區(qū)“豎三帶”中的運(yùn)移規(guī)律，綜合8206采空區(qū)與5204巷之間的相對空間關(guān)系，最終確定地面抽放鉆孔參數(shù)如下：

1) 鉆孔走向位置。因8206工作面回采至距停采線80 m的位置開始不放頂煤，只有當(dāng)鉆孔打在充分垮落采空區(qū)域內(nèi)，才能取得良好的瓦斯抽放效果，綜合考慮垮落帶分布、8204巷道長度，最終確定將1號鉆孔走向位置設(shè)置在距8206工作面停采線350 m處，2號鉆孔走向位置設(shè)置在距8206工作面停采線500 m處，鉆孔位置恰好對應(yīng)5204巷中部區(qū)域，有利于巷道掘進(jìn)過程中的瓦斯防治，地面瓦斯抽放鉆孔示意見圖1所示。

2) 鉆孔傾向位置。基于采空區(qū)瓦斯水平方向分布規(guī)律，瓦斯在采空區(qū)內(nèi)多積聚于上覆巖層垮落形成的“O”型圈內(nèi)部，當(dāng)鉆孔布置在此范圍內(nèi)，抽放采空區(qū)內(nèi)瓦斯最有效。若按3倍采高約50 m確定冒落高度， 60°作為垮落角計(jì)算，采空區(qū)域內(nèi)“O”形圈邊界位于內(nèi)錯5206巷40 m 處。又因8206 工作面回采期間兩端3架過渡支架不放頂煤，最終確定鉆孔傾向位置為內(nèi)錯 5206 巷約40～60 m處。

圖1 地面瓦斯抽放鉆孔平面示意

3) 鉆孔終孔位置。基于采空區(qū)瓦斯垂直方向分布規(guī)律，瓦斯在采空區(qū)內(nèi)多積聚于上覆巖層“豎三帶”中的垮落帶和裂隙帶中，此區(qū)域瓦斯混合氣體濃度高，鉆孔終孔位置布置在此處抽采效率高。結(jié)合塔山礦前期施工的地面鉆孔窺視數(shù)據(jù)，采空區(qū)垮落帶高度為54 m，裂隙帶高度在 54～210 m，最終確定鉆孔終孔位置距煤層底板70 m處。

3.2 地面瓦斯抽放系統(tǒng)及分析

在8206采空區(qū)對應(yīng)地面鉆孔附近建立臨時瓦斯抽放泵站，布置2臺2BEY42型水環(huán)真空泵(1用1備)，額定抽排氣體流量為130 m3/min，同時配套布置相應(yīng)的附屬設(shè)施，抽放管路選用D273 mm的鋼管，通過2個直徑為311 mm的垂直鉆孔，對8206采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放，抽放的混合氣體流量不小于75 m3/min。在鉆孔抽放初期，混合氣體中瓦斯?jié)舛葹?%～14%，瓦斯?jié)舛却螅坏S著抽放工作的進(jìn)行，抽放氣體中瓦斯?jié)舛戎饾u降低，約為2%～12%，說明抽放措施有效降低了采空區(qū)瓦斯?jié)舛取Ｍㄟ^長達(dá)4個月對鉆孔瓦斯抽放量和混合氣體中瓦斯?jié)舛冗B續(xù)實(shí)測統(tǒng)計(jì)，通過地面鉆孔抽放的8206采空區(qū)內(nèi)瓦斯超過700 000 m3，有效降低了采空區(qū)內(nèi)瓦斯含量。

3.3 井下注氮系統(tǒng)及分析

為了置換8206采空區(qū)內(nèi)積聚的高濃度瓦斯，井下利用3套注氮系統(tǒng)連續(xù)4個月對采空區(qū)進(jìn)行注氮，具體向2206巷密閉和5206巷密閉施工注氮孔，以及在5204巷內(nèi)每隔一定距離向8206采空區(qū)施工注氮孔對8206采空區(qū)進(jìn)行注氮，注氮流量控制在700～800 m3/h，平均為750 m3/h。實(shí)時監(jiān)測8206采空區(qū)與5204巷道之間的壓力，通過及時調(diào)節(jié)注氮量來平衡兩端靜壓，防止采空區(qū)內(nèi)瓦斯向掘進(jìn)巷道滲透，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯的安全置換。

3.4 束管監(jiān)測系統(tǒng)及分析

通過預(yù)埋在采空區(qū)內(nèi)的束管監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時對8206采空區(qū)中遺留的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，經(jīng)過對實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，措施實(shí)施后，成功將采空區(qū)內(nèi)的高濃度瓦斯置換出。連續(xù)監(jiān)測4個月后，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛葟?6%降低至3%左右，有效置換出采空區(qū)內(nèi)的瓦斯氣體。

4 結(jié) 語

在5204巷掘進(jìn)期間通過采空區(qū)地面瓦斯抽放和井下注氮方法成功置換了積聚在8206工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯，使得采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛冉抵?%左右，極大地減少了采空區(qū)內(nèi)的積聚瓦斯量，有效防止了瓦斯向5204沿空掘進(jìn)巷道涌出，為后期8204工作面生產(chǎn)期間的瓦斯防治和采空區(qū)防滅火工作奠定了基礎(chǔ)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。