坪上煤業礦井瓦斯治理技術研究

張天祥,王旭東

(山西晉煤集團坪上煤業有限公司,山西 晉城 048203)

山西晉煤集團坪上煤業有限公司(以下簡稱:坪上煤業)位于山西省沁水縣端氏鎮曲堤村,井田面積為9.4 km2,生產能力為9×105t/a,批準開采3#～15#煤層,地質儲量達8.8×107t,可采儲量為3.6×107t,服務年限28.5 a,可采煤層為3#、15#。3#煤可采儲量為2.7×107t,服務年限為21.7 a,煤層厚度4.4～6.6 m,平均5.3 m。坪上煤業為煤與瓦斯突出礦井,絕對瓦斯涌出量為334 m3/min,相對瓦斯涌出量為180 m3/min,其中抽采量為287 m3/min,風排量47 m3/min;3#煤層瓦斯含量為16.61～17.12 m3/t,煤的堅固性系數為1.71～1.88,煤層透氣性系數為7.16～9.71 m2/(MPa2·d),煤層具有堅固性系數高、瓦斯含量大、透氣性好、易抽采等特點。

1 綜采工作面和掘進工作面瓦斯抽采

地面瓦斯抽采共有地面鉆井57口,目前在抽30口,日抽采瓦斯8×104m3,抽采的瓦斯體積分數達70%,影響區域內煤體瓦斯含量每年降低1～1.5 m3/t。

1.1 綜采工作面瓦斯抽采方法

1.1.1綜采工作面瓦斯抽采

瓦斯治理模式分為綜采工作面圈定前和綜采工作面圈定后。在綜采工作面圈定前地面鉆井預抽基礎上,進行順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯(遞進孔);綜采工作面圈定后進行順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯(采面順層鉆孔)。千米鉆孔為圈定前鉆孔(遞進孔),普通鉆孔為圈定后鉆孔,綜采工作面抽采鉆孔設計如圖1所示。

圖1 綜采工作面抽采鉆孔設計圖Fig.1 Design of drillingboreholes for fully-mechanized mining face

圈定前:進行順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯;圈定后:進行順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯。

抽采效果:2305綜采工作面遞進孔進尺為84 km,普通孔進尺為174 km,噸煤進尺0.11 m/t。累計抽采瓦斯2.5×107m3,瓦斯含量由15 m3/t下降至6.8 m3/t。

1.1.2采空區瓦斯抽采

采空區瓦斯治理模式分為高位鉆孔和閉墻插管。高位鉆孔裂隙帶抽采基于錢鳴高院士的冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶3帶理論[1],將高位孔水平段施工在裂隙帶中,在瓦斯的自浮力和負壓的共同作用下,抽采采空區上方的瓦斯。

層位選擇:一般認為,裂隙帶位于6～8倍的采高位置[2-3],坪上煤業初采鉆孔選擇18 m層位,其余鉆孔選擇12～15 m的層位。如果鉆孔在冒落帶,則混量大、負壓低、濃度低、純量小、效率差。如果施工在彎曲下沉帶,則混量小、負壓高、濃度高、純量小、效率差。只有施工在裂隙帶,才能使鉆孔充分發揮作用,體現出負壓損失小、濃度高、流量大、抽采效果好等優點。

孔深的控制:已有研究表明,采空區瓦斯抽采孔孔深控制在200～300 m范圍內較為合理[4],過深則負壓損失大,影響抽放效果,過淺抽放效果好,但成本較高。

抽采范圍:每個鉆場至少施工4個鉆孔,鉆孔水平間距為15 m,控制采面60 m寬度。每組鉆孔之間要有水平重疊段,保證鉆孔順利接替。抽采效果:2305采面輔助切眼在抽鉆場日抽采瓦斯量為(1.5～2)×104m3,鉆孔抽采瓦斯體積分數60%～80%,上隅角瓦斯穩定。

定向高位鉆孔設計示意圖如圖2所示。

圖2 定向高位鉆孔設計示意圖Fig.2 Design of directional high-level drilling boreholes

1.1.3閉墻插管改變上隅角瓦斯流向

在回風順槽閉墻上預埋兩根457 mm管路,采面推過橫川后,打開閥門,實施閉墻插管抽放,閉墻處形成負壓區,改變上隅角瓦斯流向,避免采空區瓦斯向上隅角涌出。閉墻插管改變上隅角瓦斯流向示意圖如圖3所示。

圖3 閉墻插管改變上隅角瓦斯流向示意圖Fig.3 Gas flow direction in upper corners changed by tubes in closed wall

抽采效果:兩臺2BEC72泵擔負閉墻插管抽采,抽采混量約500 m3/min,日抽采瓦斯純量約3×104m3。關鍵技術:合理控制各閉墻的管路閥門,使上隅角后方第一道閉墻管路閥門呈90°打開狀態,其余根據情況打開5°～10°，控制閉墻前無瓦斯積聚即可；由于橫川之間距離過遠或上隅角后方垮落太實,上隅角處向采空區流動的瓦斯流向不明顯時,可在回風巷增阻。

1.1.4綜采工作面瓦斯治理效果

綜采工作面實現了U型通風系統,采面風量為1 800 m3/min,工作面瓦斯涌出量37.07 m3/min。其中高位鉆孔抽采量11.92 m3/min,閉墻插管抽采量13.91 m3/min,本煤層抽采量2.84 m3/min,風排量8.40 m3/min,瓦斯抽采率為77%。

1.2 掘進工作面瓦斯治理模式

在地面鉆井預抽的基礎上,掘進工作面瓦斯治理模式分為:穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔(區段遞進孔)預抽區段煤層瓦斯,順層鉆孔(條帶密集孔)預抽煤巷條帶煤層瓦斯。

1.2.1掘進工作面穿層鉆孔參數

經礦井瓦斯基礎參數測試,3#煤層瓦斯抽采半徑為3.5 m,為避免漏抽,設計時孔間距適當加密。在底板巖巷,每隔30 m施工1個鉆場,每個鉆場覆蓋煤巷掘進范圍左右各30 m,鉆孔設置3～5排,每排鉆孔數15～20個,鉆孔開孔間距0.5 m,終孔間距3～5 m。掘進工作面穿層鉆孔設計示意圖如圖4所示。

圖4 掘進工作面穿層鉆孔設計示意圖Fig.4 Design of drilling through layers in the working face

1.2.2掘進工作面區段遞進孔瓦斯治理措施

方法:在已掘巷道內使用千米(定向)鉆機向待掘巷道施工區段遞進鉆孔。

參數:鉆孔間距5～7 m,孔徑96 mm,鉆孔深度至少超過待掘巷道外幫20 m。

抽采效果:23052/53巷通過采取區段遞進孔措施,經過0.3～0.5 a的抽放,瓦斯含量由18 m3/t下降至6.5 m3/t,連續掘進950 m,實現了突出礦井條件下的安全、快速掘進。順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯(遞進孔)鉆孔設計示意圖如圖5所示。

圖5 順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯 (遞進孔)鉆孔設計示意圖Fig.5 Design of gas drilling (progressive hole) in pre-drainage section in bedding drilling

1.2.3掘進工作面條帶密集鉆孔瓦斯治理措施

方法:在遞進孔不均勻區域,使用普通鉆機施工密集鉆孔,抽放周期0.2 a。

參數:在目標巷道至少施工正前2個/m2,聯絡橫川1個/m2,覆蓋外幫至少20 m范圍,鉆孔深度不小于60 m。掘進工作面條帶密集鉆孔設計示意圖如圖6所示。

圖6 掘進工作面條帶密集鉆孔設計示意圖Fig.6 Design of strip dense drilling on the driving face

順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯,巷道鉆孔布置方式:自制鉆機增高裝置,分四排均勻布置,上排探頂、下排探底、中間兩排沿著掘進方向施工。

2 礦井瓦斯管理

2.1 注重人防

2.1.1建立以總工程師為首的技術管理團隊

完善以總經理為首的領導機構+總工程師為首的技術管理體系+強化全員防突意識;建立、健全了安全生產責任制體系;完善了礦井“一通三防”管理機構,配足、配齊“一通三防”專業技術人員,配足、配齊“一通三防”技術裝備。

2.1.2做好礦井通風系統安全管理的制度建設

礦井通風系統安全管理主要從以下幾方面著手。

1)優化礦井安全生產管理機構。在對礦井規模、組織結構、人員裝備及開采條件等因素調研、分析的基礎上,通過對本礦井開展安全事故統計及事故易發嚴重程度分析[3],對礦井安全生產管理機構進行了進一步的優化。

2)優化礦井安全生產技術管理機構。建立了權責分明、獎懲合理的管理制度,鼓勵員工技術和工藝創新。

3)嚴格貫徹和落實礦井通風管理的規程和要求。始終堅持和嚴格貫徹《安全生產法》《礦山安全法》《煤礦安全規程》《防治煤與瓦斯突出細則》和《瓦斯抽采達標規定》等文件的要求,加大執行力度,將隱患消滅于萌芽狀態。

4)落實“三個換空間”為抓手。以抽采時間換生產空間、以科技創新換生產空間、以加大工作量換生產空間,有條不紊地把控和落實生產組織節奏。

2.1.3提高職工思想和個人素質

通過提高職工思想認識,做到全員懂標準、會標準、用標準開展工作。

1)通過開展各級培訓、組織職工外出學習及事故案例展示,讓廣大員工充分認識和了解到各類事故的危害性和嚴重性。礦井各級機構,尤其是“一通三防”部門,不斷通過管理創新、技術創新,建立了完善可靠的“一通三防”管理體系,加大了瓦斯治理力度,各項規定(規程)在現場得到了有效落實。構建了礦井瓦斯治理“十二字”工作方針和礦井瓦斯綜合治理“十六字”工作體系,在確保安全的前提下,通過合理組織生產,確保了礦井安全生產,實現了礦井安全生產效益的最大化。

2)總工程師帶頭,通風副總工程師和通風科長組織通風部門所有管理人員和技術骨干通過“早碰頭”會開展日常學習,通風部門管理人員和技術骨干利用每周三學習例會、周四安全例會、班前會等會議形式向職工進行宣傳,做到縱向培訓、以點帶面、全員覆蓋、全員素質提高。

2.2 注重物防

2.2.1科學制定通風系統,確保通風充足

礦井選用AGF606-2.82-1.58-2型通風機,一用一備,電機功率:1 600 kW,運行角度:-5°,運行負壓為2.45 kPa,風量為17 500 m3/min,運行平穩可靠。工作面通風雙U型通風技術是經過改善后的通風系統,優點是風量大,可以為采掘工作人員提供充足的氧氣,風量輸送及時且方便快捷,在井下使用時運行的效果較好。

2.2.2科學高效的抽采系統

抽放系統裝4臺2BEC72水環泵,通過三用一備的運行方式,目前運行負壓40 kPa,抽采瓦斯體積分數38%,日抽采瓦斯量2.8×105m3。采空區泵站安裝5臺2BEC72型水環真空泵,四用一備運行。其中兩臺為綜采工作面上隅角尾部采空區專用抽采系統,目前運行負壓22 kPa,抽采瓦斯體積分數為4%～5%,日抽采瓦斯量約3×104m3。另外兩臺用于其他采空區抽采,目前運行負壓20 kPa,抽采瓦斯體積分數為10%～12%,日抽采瓦斯量約8×104m3,抽采能力充足可靠。

2.2.3建立煤礦井下安全監測監控系統

嚴格按照《煤礦安全規程》(AQ1029-2019)和《煤礦安全監控系統及檢測儀器使用管理規范》(AQ1029-2019)等規程和標準要求,落實各類監測監控系統的安設;建立健全安全監控系統管理規章制度,配備足夠的、合格的專業技術人員,不斷加強監控系統的日常維護和管理工作,保障系統的正常運行;定期對各類監控設施進行校準,保證其運行和精度的可靠性;通過不斷完善預警體系,構建了安全預警管控機制和網絡運行管理體系,充分發揮其監測、管控和預警功能,提高了礦井應急處置能力,使其真正成為瓦斯治理的千里眼和順風耳。

2.2.4完善礦井災害應急設施

坪上煤業在盤區大巷建設了永久避難硐室,在采掘工作面每500 m處建設一座臨時避難硐室。采掘工作面、打鉆地點及臨時作業地點均安裝了壓風自救裝置。掘進工作面安設了兩道防突反向風門。為井下所有職工配備了隔絕式化學氧自救器,并在西軌、西輔兩條進風大巷建設了自救器補給站,滿足避災要求并建有瓦斯抽采泵站和主通風機房。

2.3 技能防治

根據采掘工作面測定的煤層瓦斯參數,本文選擇技術可靠、經濟合理、效果可行的區域防突措施和局部防突措施，并開展有針對性的瓦斯抽采設計。經審定后的抽采設計,在施工過程中將嚴格按照設計執行，從而實現瓦斯抽采最大化[1,4]。技術人員認真開展瓦斯抽采效果評價工作,建立科學、完善的瓦斯抽采評價指標,構建了合理的瓦斯抽采單元,并進行分單元效果評價，從而防止出現抽采空白帶[5-8]。

3 結論

綜采工作面瓦斯抽采圈定前進行順層鉆孔預抽區段煤層瓦斯,圈定后進行順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯,累計抽采瓦斯2.5×107m3,瓦斯含量由15 m3/t下降至6.8 m3/t。通過在已掘巷道內使用千米(定向)鉆機向待掘巷道施工區段遞進鉆孔進行瓦斯治理,瓦斯含量由18 m3/t下降至6.5 m3/t。在遞進孔不均勻區域,使用普通鉆機施工密集鉆孔,進行掘進工作面條帶密集鉆孔瓦斯治理。此項實踐可借鑒應用于突出礦井的瓦斯防治中,能夠起到快速消突,預防突出事故,從而促進安全生產。

通過人防、物防、技防等促進了礦井災害預防系統的不斷完善,提高了災害應急處理水平,進一步夯實提升煤礦安全管理水平。本文通過管理創新、技術創新,建立了完善可靠的“一通三防”管理體系,加大了瓦斯治理力度,各項規定(規程)在現場得到了有效落實。