采煤工作面回風隅角瓦斯治理探討

王福峰,李付海

(山西東輝集團 趙家山煤業有限公司，太原 030400)

瓦斯始終威脅著煤礦工人的生命安全,隨著科技的進步，國內外對瓦斯治理的研究越來越深入，技術工藝越來越豐富。目前,高瓦斯礦井在上下臨近煤層開采方面,大多采用開采解放層、高(低)抽巷、穿層鉆孔預抽等瓦斯治理技術,成本較高,對回風隅角瓦斯控制不甚理想。通過技術研究趙家山煤礦,在本煤層抽采的基礎上采取高位鉆孔、棧道鉆孔、隅角封閉抽采等措施，較好地控制了回風隅角的瓦斯涌出,實現了工作面單面保證礦井產量,取得了滿意效果,對相似瓦斯地質條件下開采的礦井具有借鑒意義。

1 工程概況

趙家山煤礦位于山西省清徐縣城西北12 km,井田面積6.6 km2,總可采儲量51.9 Mt,生產能力為1.2 Mt/a,屬高瓦斯礦井,2019年3月正式投產。礦井采用斜井開拓,中央分列式通風系統,機械抽出式通風。礦井目前開采1個水平,水平標高為+715 m,布置一采一備四個掘進頭,現開采2#煤層,生產工作面為2102綜采工作面,采用U型通風系統,工作面寬180 m,采用垮落法管理頂板。

地面瓦斯抽放泵站建在回風立井工業廣場,安設高壓、負壓瓦斯抽采系統各一套,一臺運行一臺備用,抽采主干管選用為Φ630 mm×10 mm螺旋焊接鋼管,支管選用Φ325 mm×4 mm,Φ426 mm×4 mm螺旋焊接鋼管,抽采泵參數見表1。

表1 瓦斯抽采泵參數

2 瓦斯涌出情況分析

2.1 礦井瓦斯涌出情況

礦井瓦斯涌出情況見表2。

表2 礦井瓦斯涌出情況統計表

2.2 影響煤層瓦斯含量的主要因素

2.2.1煤層地質構造

井田位于清交礦區中南部,地面標高+1 105 m,目前開采標高為+780～+737 m,開采深度為+335～+368 m。受區域構造影響,總體為一傾向北西的單斜構造,在此基礎上發育次一級寬緩褶曲,并伴生數條落差小于20 m的斷層。現開采的一采區S1向斜位于井田的西北部,總體軸向為NE5°-NE50°,井田內延伸長度為4 000 m;采區內陷落柱較多,已探明64個,僅2102工作面開采范圍內有9個,陷落柱最大X37長軸223 m,短軸55 m,陷壁角80°。向斜、斷層、陷落柱均對瓦斯賦存造成較大影響,實測向斜軸部、陷落柱邊緣瓦斯體積分數是正常煤層瓦斯涌出體積分數的3.2倍,對開采期間的瓦斯管理帶來較大難度。本井田內水文地質簡單,涌水量較小,對瓦斯的運移影響不大。

2.2.2煤層透氣性及瓦斯賦存相關參數

2#煤層直接頂板為細砂巖、砂質泥巖、泥巖交互,厚度平均7.45 m。其上為03#煤層,平均厚度1.43 m,03#煤層向上為細砂巖、砂質泥巖交互,厚度平均13.2 m,致密性較大,透氣性差,瓦斯不易散失。實測煤層瓦斯壓力、放散初速度、破壞類型、最小堅固性系數等結果見表3。

表3 瓦斯賦存相關參數測試結果統計表

2.3 采煤工作面瓦斯來源

采煤工作面瓦斯來源分為本煤層瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出兩部分。本煤層瓦斯涌出通過煤壁、工作面落煤、采空區3種形式;鄰近層瓦斯涌出主要在工作面采動影響下頂底板巖(煤)層發生變形、形成裂隙,并通過裂隙與工作面采出空間導通,在瓦斯壓力作用下向外涌出。工作面開采后,采空區頂底板的裂隙發育及影響隨著向頂底板內的延伸逐漸減弱,間距越小,鄰近層瓦斯涌出量越大,反之鄰近層瓦斯涌出量越小。2102工作面上距03#煤層平均7.5 m,下距4#煤層平均16.43 m，距5#煤層平均24.19 m,均在動壓影響范圍內,涌出量較大,占工作面瓦斯涌出的82%,成為工作面主要瓦斯涌出來源,是瓦斯治理的重點。

2.4 工作面采場瓦斯濃度分布

2.4.1工作面采場水平方向高濃度瓦斯分布

隨著工作面的不斷推進,在工作面推進的水平方向上,全負壓風流作用下,后方采空區形成1個與工作面近似平行的漏風通道,在風流的帶動下工作面回風側漏處區域產生了較高濃度的瓦斯(見圖1),暫稱作水平方向瓦斯聚集區。

圖1 工作面水平方向高濃度瓦斯區示意圖

2.4.2工作面采場垂直方向高濃度瓦斯區分布

工作面推進的水平方向上,后方形成了冒落的采空區,在采空區的垂直方向上形成了垮落帶、裂隙帶和彎曲帶,大量瓦斯聚集在采空區上方,由于受到煤壁的支撐作用采空區四周冒落小于采空區中部,在采空區頂板四周形成一個由裂隙組成的連續瓦斯儲運通道,形狀似O型[1]。O型圈內部儲存了高濃度的瓦斯,暫稱作垂直方向高瓦斯區(見圖2)。當儲存一定量的瓦斯時將向外涌出,對回風流及隅角治理帶來較大影響。

圖2 工作面垂直方向高濃度瓦斯區示意圖

3 鉆孔選擇及參數設計

3.1 鉆孔選擇

鉆孔選擇主要考慮將可能流向回風隅角及附近的瓦斯堵截、減弱、降濃,在終孔附近形成負壓區,瓦斯向負壓區流動,改變隅角漏風匯風流規律,較大限度地減少隅角瓦斯涌出。根據趙家山2102工作面實際選擇高位鉆孔、棧道鉆孔進行防治。

3.2 高位鉆孔參數設計

礦山壓力規律證明,隨著采煤工作面向前推進,工作面采空區在垂直方向上形成3個帶,由下向上分別為垮落帶、斷裂帶、彎曲帶;在水平方向上形成3個區,沿工作面推進方向分別為重新壓實區、離層區、煤壁支撐影響區[2](見圖3)。工作面的不斷推進,采動壓力場隨著變化,壓力場形成大量裂隙,為瓦斯在采空區上覆巖層中的運移提供了通道,為儲存瓦斯提供了空間,為施工高效抽采鉆孔提供了條件。

圖3 工作面水平方向壓力區分布示意圖

3.2.1終孔高度的確定

工作面采空區頂板三帶中,斷裂帶瓦斯體積分數高、裂隙發育是瓦斯抽采終孔的最佳位置,且斷裂帶不隨著工作面推進及時垮落,孔的完整性相對較好,滯留采空區時間長,利用率高。

按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》及2102工作面地質特點,裂隙帶最大高度的計算公式如下:

h=100∑d/(3.1∑d+5.0)±4.0

(1)[3]

式中:h為煤層頂板算起的法向高度,m;∑d為累計采厚,取2.4～2.9 m。

經計算,裂隙帶最大高度約為21.9～25.7 m。

根據對頂板的巖性分析及打孔抽采效果判斷,距軌道(回風)順槽35～60 m時裂隙帶高度在20～27 m,距回風巷15～35 m時裂隙帶高度在8～20 m。因此,可以確定終孔高度距軌道(回風)順槽位置不同而變化的區間在20～27 m之間。

3.2.2終孔距回風隅角水平距離確定

通過已實施的抽采鉆孔分析,采空區O型圈回風側邊緣距軌道(回風)順槽30 m左右,因此,高位鉆孔終孔水平位置距軌道(回風)順槽為30 m法線距離以深。2102工作面設計8個左右高位鉆孔時,距軌道(回風)順槽為法線距離在30～65 m之間。

3.2.3鉆孔長度設計

鉆孔長度及步距主要考慮經濟、合理、抽采持續效果、鉆孔利用率、服務時間等因素。2102工作面推進度4～5 m/d,實踐鉆孔打入采空區8～10 m裂隙帶裂隙發育逐步充分,抽采體積分數逐步升高,鉆孔逐步發揮作用(見圖4)；鉆孔推剩至30～25 m,鉆孔效果變差；推剩至20 m內,鉆孔在采空區完全進入冒落帶中下部,抽采體積分數降到5%以下,鉆孔因超前壓力被壓壞,失去作用。因此,鉆孔長度需根據終孔高度、水平距離、煤層傾角、巷道坡度及鉆孔偽傾斜角度綜合計算。鉆孔長度設計區間在78～108 m,服務最佳長度在40 m,服務時間達到8～10 d。鉆孔參數見表4。

圖4 工作面高位鉆孔走向示意圖

表4 高位鉆孔參數設計統計表

3.2.4每組鉆孔個數及步距

每組鉆孔個數選取鄰近層瓦斯涌出量采用下式計算:

(2)[4]

式中:q2為鄰近層瓦斯涌出量,m3/t;Wo,i為第i鄰近層瓦斯含量,m3/t;Wc,i為第i鄰近層殘存瓦斯含量,m3/t;di為第i鄰近層煤厚,m;h為工作面采高,m;ηi為第i鄰近層的瓦斯排放率,開采2#煤層時上、下鄰近層均向2#煤層涌出瓦斯。

2102工作面日產量設計為3 200 t,工作面鄰近層絕對瓦斯涌出量為3.71×3 200/1 440=8.24 m3/min。

根據《煤礦瓦斯抽采工程設計標準》(GB 50471)中的抽采管徑計算公式計算抽采量Q:

d=0.145 7(Q/v)1/2

(3)[1]

式中:d為管路內徑,m;v為經濟流速,m/s。

通過計算可知,抽采量Q為3.85 m3/min,按照每根鉆孔抽管瓦斯體積分數平均為30%,計算鉆孔數量為7.2個,取8個孔。

鉆孔步距主要考慮在上一組鉆孔失去作用前能夠發揮作用,以保證連續穩定抽采采空區瓦斯。因此,鉆孔步距定在30～25 m比較合理。施工時間應考慮鉆孔打入采空區不超過8 m前完成(見圖5)。

圖5 工作面高位鉆孔步距示意圖

3.2.5孔徑及封孔設計

孔徑主要考慮圍巖成孔率、巖性及鉆機適應性,滿足以上條件孔徑能夠提高抽采能力,一般不小于95 mm。2102工作面孔徑選用108 mm成孔較好,同時抽8個孔能夠滿足工作面生產需要,因此選用108 mm孔徑。封孔采用兩堵一注技術,使用囊袋封孔器,封孔深度在8～10 m比較嚴密,效果較好。

3.3 棧道鉆孔參數設計

軌道(回風)順槽與采空區O型圈回風側邊緣的距離(暫稱為肩窩)因受煤柱影響冒落不充分,集聚的瓦斯如不進行處理,容易在回風隅角臨近的支架后涌出,給安全生產帶來隱患。通過對肩窩施工鉆孔進行推斷,肩窩寬在2101工作面約8～35 m,在2102工作面約5～30 m,棧道鉆孔主要針對肩窩進行補充治理。

3.3.1終孔高度的確定

肩窩因冒落不充分,冒落高度因巖性、節理發育程度、采動壓力、周期來壓等影響變化較大,鉆孔施工推斷肩窩高度在2101工作面約4～15 m,在2102工作面約7～15 m,裂隙帶高度在8～20 m。棧道鉆孔終孔高度設計在10～20 m。

3.3.2其他參數確定

鉆孔長度、鉆孔步距、孔徑及封孔工藝參照高位鉆孔的設計進行,具體參數見表5。

表5 棧道鉆孔參數設計統計表

4 效果分析

4.1 高位鉆孔抽采情況

高位鉆孔施工完成后,隨著工作面推進抽采的瓦斯體積分數發生變化,主要分4個階段:一是起始段(進入采空區8 m前)，抽采的瓦斯體積分數較低,主要是鉆孔與裂隙帶的溝通不充分；二是正常段，隨著裂隙帶前移,鉆孔與裂隙帶溝通充分,切處高位,瓦斯體積分數高,流量大,抽采效果高,抽采最高體積分數達80%以上；三是衰減段(鉆孔剩余長度在20～30 m)；鉆孔抽采高度逐步降低,高體積分數瓦斯聚集在鉆孔上方,鉆孔覆蓋不到,抽采體積分數隨之降低；四是消失段(鉆孔剩余長度在20 m內)，此段鉆孔完全進入冒落帶,抽采體積分數進一步降低,基本在5%～7%以下,鉆孔使用終結,統計結果見表6。

表6 高位鉆孔抽采體積分數變化統計表

4.2 棧道鉆孔抽采情況

棧道鉆孔抽采的瓦斯體積分數也分4個階段,與高位鉆孔規律基本相同,只是在抽采體積分數與鉆孔剩余距離對應方面有些不同,見表7。

表7 棧道鉆孔抽采體積分數變化統計表

4.3 其他抽采

采取隅角抽采。根據風流流動規律,回風隅角集中泄出瓦斯的特點,向回風隅角接入Φ159 mm螺旋管至采空區內,外打巖粉垛,形成一個相對隔絕外部的內腔,外聯至支管路上集中抽采,進一步減少隅角瓦斯涌出。實施采空區埋管抽采技術,即采用Φ219 mm螺旋鋼管埋入軌道(回風)順槽采空區內,每隔30 m設置一個直立式三通花管,埋入的鋼管直連到主管路上,連續抽采采空區內瓦斯。

5 結論

2102工作面通過高位鉆孔、棧道鉆孔抽采,配合其他抽采措施,軌道順槽回風流瓦斯體積分數控制在0.2%～0.4%之間,回風隅角瓦斯體積分數降到0.3%～0.5%,達到了規程[5]規定的安全值以內，保障了工作面的安全開采,對相似瓦斯地質條件下開采的礦井具有借鑒意義。