高瓦斯易自燃综放工作面瓦斯防治技术研究

马小辉 王 岩

(1.陕西彬长矿业集团小庄矿业公司,陕西 713600;2.煤炭科学研究总院沈阳研究院,辽宁 110016)

1 矿井及40106综放工作面概况

彬长矿业集团公司大佛寺煤矿主采煤层为侏罗纪4#煤层和4上煤层。4#煤层构造简单,赋存稳定,厚度13.4～16.5m,平均厚度15.1m,属于硬质透气性较好煤层,瓦斯解吸快。

40106综放工作面是彬长公司大佛寺矿井下紧贴4#煤中央辅助运输大巷并在其东侧沿煤层走向设计布置的第三个综采工作面。回风顺槽和运输顺槽及灌浆巷沿煤层走向布置,两顺槽均沿煤层底板且留2m左右底煤布置;切眼垂直于两顺槽,沿煤层倾向布置;灌浆巷从辅助运输大巷开口,平行布置在回顺外侧,相距30m净煤柱。工作面巷道采用双“U”型布置方式。

大佛寺401采区4#煤层瓦斯基础参数值如见表1。

表1 4#煤层瓦斯基础参数值

40106工作面初期选用两进一回通风系统,后期选用三进一回通风系统。40106回采工作面总配风量为2040m3/min。

2 采后高位卸压钻孔瓦斯抽放原理

由岩石力学理论可知：煤层随工作面回采,在工作面周围将形成一个采动压力场。采动压力场及其影响范围在垂直方向上形成3个带,即垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。在水平方向上形成三个区,即煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。

在“横三区”,受采动影响煤壁游离瓦斯释放,采空区残煤释放的瓦斯在垮落带与重新压实区形成瓦斯积聚层。在“竖三带”中,裂隙带内的岩层裂隙发育,透气性好,是瓦斯流动的通道,且受外界空气流动影响小,形成瓦斯积聚的空间。

高位钻孔布置在裂隙带内,受采动影响较小,不易受到破坏。在抽放钻孔的负压作用下,瓦斯快速流动,使高位钻孔能够抽出高浓度瓦斯。

图1 钻孔布置示意图

3 40106工作面瓦斯抽放

根据大佛寺煤矿实际生产及瓦斯治理经验,40106工作面主要采用采前、掘前预抽,采后卸压抽放、上隅角埋管抽放和高位瓦斯抽放巷抽放及风排瓦斯的综合瓦斯治理措施。

3.1 采后高位卸压钻孔设计

在40106灌浆巷中每50m布置一组瓦斯抽放钻孔,每组布置5～9个钻孔,利用钻孔抽放采空区内的瓦斯,在本次实践中共选择施工不同层位卸压钻孔四种,观察钻孔共7组。

层位一：钻孔终孔位置在煤层顶板。

层位二：钻孔终孔位置在煤层顶板以上4m。

层位二：钻孔终孔位置在煤层顶板以上12m。

层位二：钻孔终孔位置在煤层顶板以上17m。

钻孔设计参数如表2。

表2 钻孔设计参数表

3.2 封孔工艺

大佛寺矿4#煤层含水量大、钻孔孔径大,选择合适的封孔材料,对封孔效果和后期的抽放效果都有很大的影响。依据大佛寺矿和其他煤层赋存条件相似矿井封孔经验考察,对不同封孔材料选取对比,最终选用马丽散封孔。通过后期抽放效果检验表明,选择马丽散材料封孔,遇水能更快发生反应,填堵孔壁裂隙,从而能大大提高抽放效率。

马丽散是一种由树脂和催化剂两种成分组成的聚亚安酯产品,具有渗透性强、凝固时间短、强度大等特点,在压力的作用下能以液体状态渗透到裂隙中,与水反应形成致密的隔水层封闭水流,有效封闭钻孔水。用它作封堵钻孔及其内渗水裂隙的封孔材料,具有极大的可行性。

钻孔采用马丽散封孔,马丽散封孔采用卷缠药液法及钻孔内封孔管结构。

抽放管为外径50mm的抗静电塑料管,每根长为6m。每个钻孔需抽放管9m,即1.5根抽放管,故每个钻孔需要封孔9m。将第一根抽放管距端部1m处用铁线缠紧固定一块毛巾布 (1.2m×0.6m),毛巾上浇淋1.3kg马丽散裹好并用铁丝缠紧加固。每隔1m照此方法在抽放管上缠绕一个浇淋马丽散的毛巾。两根抽放管之间用连接管连接紧固。

孔口处用水泥砂浆密闭,避免封孔管晃动影响封孔质量。

3.3 钻孔与管路的连接

马丽散封孔后,待完全膨胀凝固后钻孔抽放管便可与抽放管路连接。钻孔与管路连接处应设置流量计和放水装置,每个钻场安设一个孔板流量计。钻孔封孔器与抽放管路的连接,每个钻场安装一套气水分离器。

4 瓦斯抽放效果分析

40106工作面生产期间,预测瓦斯涌出量76.45m3/min,工作面配风量为2040m3/min。在工作面初采出放前期,上隅角在预设瓦斯抽放的情况下,上隅角袋子墙外瓦斯浓度在0.7%～0.9%左右。

从图2分析,钻孔终孔在煤层顶板位置时,瓦斯抽放浓度低且起伏大,抽放浓度平均在5%左右,不能更有效的解决上隅角瓦斯。

图2 距工作面不同层位一钻孔抽放浓度分布图

钻孔终孔在煤层顶以上4m时,瓦斯抽放浓度在距工作面28m前,几乎没有变化,平均在4%,无抽放价值,如图3所示。

图3 距工作面不同层位二钻孔抽放浓度分布图

从图4分析,钻孔终孔在煤层顶以上12m时,距工作面10m前瓦斯抽放浓度较低,平均为5%,不能有效解决工作面上隅角瓦斯;后期虽然抽放浓度较高,在10%～22%之间,且抽放周期短,给工作面防灭火带来极大的不便。

图4 距工作面不同层位三钻孔抽放浓度分布图

钻孔终孔在煤层顶以上17m时,瓦斯抽放浓度基本稳定在8%～14%之间,平均抽放浓度为10%,如图5所示。由以上分析可以看出层位四钻孔抽放浓度高且稳定、抽放流量大。

图5 距工作面不同层位四钻孔抽放浓度分布图

在钻孔层位布置在顶板17m左右时,瓦斯抽放浓度稳定在8%～14%左右,且持续时间较长,工作面上隅角瓦斯浓度降低到0.4%～0.5%之间,随工作面推移,瓦斯浓度较为稳定,能有效抽放瓦斯。

层位四钻孔终孔布置在顶板17m左右处即位于顶板裂隙带内,钻孔布置在这个层位,顶板裂隙作为瓦斯流动通道,可以很好的抽放工作面煤壁以及上隅角涌出的瓦斯,能够从源头上截断涌入工作面的瓦斯,能更有效的解决工作面初采初放期间的工作面上隅角瓦斯抽放。

5 结论及建议

(1)大佛寺矿40106工作面采用利用采后高位卸压瓦斯抽放钻孔解决工作面上隅角瓦斯,层位四钻孔布置在煤层顶板裂隙带内时,抽放浓度高且稳定,有很好的抽放效果,使回风流中瓦斯浓度大大降低,解决了上隅角瓦斯超限的问题,提高工作面安全生产能力,并能为下一步矿井瓦斯利用提供稳定的高浓瓦斯。

(2)通过钻孔封孔后及抽放期间观察,采用马丽散作为封孔材料能够封堵钻孔渗水裂隙,取得很好的钻孔堵水效果,封孔效果得到很大提高,对后期的瓦斯抽放效果的提高起到了很大的作用。证明采用马丽散作为含水量大的煤层抽放钻孔封孔材料合理可行,为以后瓦斯抽放钻孔封孔材料选择提供借鉴及参考。

(3)通过采后卸压瓦斯抽放钻孔的优化与抽放参数的调整,选择合理综合治理方法,采取行之有效的措施治理40106工作面的瓦斯,确保了安全生产。

(4)通过40106工作面采后卸压瓦斯抽放钻孔层位设计布置的分析研究,为抽放钻孔设计优化提供了理论依据,更好的服务安全生产。

[1] 俞启香.矿井瓦斯防治 [M].徐州：中国矿业大学出版社,1992.

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