高瓦斯矿井大倾角综采面瓦斯灾害防治技术

许华威，王金光

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)



高瓦斯矿井大倾角综采面瓦斯灾害防治技术

许华威，王金光

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

[摘要]根据唐山赵各庄矿3372东上工作面的开采工艺与地质条件，通过对该工作面瓦斯来源进行探讨，并分析瓦斯积聚的原因，据此提出对角埋管抽放、高位钻孔抽放的瓦斯防治技术，其中对角埋管抽放使采空区下部瓦斯流动呈现Y型通风的流动效果。瓦斯灾害防治技术实施后，工作面上隅角瓦斯浓度保持在安全范围之内，回风流中瓦斯浓度控制在0.5%以下，保证了综采面的安全高效开采，为高瓦斯矿井大倾角综采面的瓦斯灾害防治提供了借鉴。

[关键词]高瓦斯矿井；大倾角；对角埋管抽放；高位钻孔抽放

Methane Disaster Prevention of Large-inclined-angle Full-mechanized Mining Face in High-methane Mine

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.020

[引用格式]许华威，王金光.高瓦斯矿井大倾角综采面瓦斯灾害防治技术[J].煤矿开采，2015，20(5)：74-76，26.

煤炭资源在我国能源组成中占有重要地位，其在一次性能源结构中所占比例为70%[1]左右。由于我国大部分煤矿是井工开采，随着采煤新技术和新型机械化设备在矿井中的广泛运用，矿井的深度不断加深。深部煤层中的瓦斯由于较好地保存在煤体中，造成国有煤矿都是瓦斯矿井，其中高瓦斯矿井所占的比例在50%[2]以上。

为了更好地治理高瓦斯矿井的瓦斯灾害，众多科研工作者对瓦斯治理方面的研究不断深入，开发了许多具有借鉴意义的瓦斯治理技术或取得相关参数。马小涛[3]等以芦岭矿Ⅱ1048工作面为研究对象，得出深孔爆破的相关参数，不仅扩大了瓦斯的有效抽放半径，而且也降低了煤与瓦斯突出危险性。黄鑫业、蒋承林[4]以平煤十矿戊9-20180工作面为研究对象，得出合理的带压封孔工艺技术参数，在延长有效抽采时间的同时，也将本煤层瓦斯抽放浓度提高30%～50%。赵耀江[5]等以沙曲矿14205综采面为研究对象，利用顶板大直径千米钻孔对瓦斯进行抽采，有效地控制了工作面瓦斯浓度。李德参和夏会辉[6]以石港矿15111综放面为研究对象，利用伪倾斜后高抽巷瓦斯抽放技术，瓦斯抽采量达到24.58～75.25m3/min，杜绝了瓦斯浓度在工作面超限。

本文以赵各庄矿3372东上工作面为研究对象，该综采面位于原始瓦斯含量较高的7号煤层中，考虑3372东上工作面处于倾斜向急倾斜过渡区域且受F2断层破碎带的影响，结合该矿其他采区高瓦斯工作面的瓦斯治理技术，提出对角埋管抽放、高位钻孔抽放的瓦斯防治技术。

1工程概况

赵各庄矿位于开滦矿区东北部，地处唐山市古冶区，井田走向长9.05km，开采面积31.55km2。该矿井东翼含煤16层，从上往下二迭系有4，5，6，7，8，9号共6层煤；石炭系有11，12上，12中，12下，13，14上，14下，15，16号共9层煤；奥陶系仅有17号煤层。其中可采煤层7层，分别是5，7，9，11，12上，12中，12下煤层，矿井东翼部分可采煤层特征见表1，部分煤层综合柱状图见图1。

表1　矿井东翼可采煤层特征

图1　部分煤层综合柱状

3372东上工作面位于7号煤层13水平东翼的3石门与4石门之间，工作面开采水平标高为-988.3～-1048.2m，地面水平标高为+37m，煤层走向长度为639m，煤层走向角度在110～130°之间，煤层倾向长度为78m，煤层平均倾角为37°，倾角总体是从下往上、从东往西逐渐变小，煤层平均厚度和采高分别为3.05m，2.40m，局部发育无连续性多层夹矸，夹矸是平均厚度0.25m的深灰色粉砂岩或黑色泥岩。采用后退式综合机械化采煤法，全部垮落法处理顶板，U型通风，煤层坚固性系数和变异系数分别为1.2，21%，属于二类自燃煤层，煤层爆炸性指数为44.04%，煤层原始瓦斯含量为5.8m3/t。

2瓦斯治理的依据

2.1　综采面瓦斯来源分析

3372东上工作面的直接顶是平均厚度为1.49m的深灰色粉砂质泥岩，由于透气性较差，煤层中的原始瓦斯被很好地保存下来。在3372东上工作面使用结构尺寸小、传递功率大等优点的MG200/500-AWD型采煤机，实际推进过程中采煤机牵引速度一般为7～8m/min，且进刀为0.5m，加上采高为2.40m，在短时间内大量煤炭被开采出来，综采面日产量最高时为4561t，由于煤体中原始瓦斯含量为5.8m3/t，因此暴露的煤壁和采落的煤炭逸散的瓦斯成为综采面瓦斯的主要来源。由于采用机械化采煤法对3372东上工作面上覆岩层造成的破坏较大，且在推进过程中有大量遗煤，而上覆岩层中的6号煤层虽厚度较小，但煤层原始瓦斯含量不低，故采空区的遗煤散发的瓦斯和上邻近层涌出的瓦斯也是3372东上工作面瓦斯来源的重要组成部分。由于保护煤柱的隔离，在3372东上工作面西部的3237工作面和在其上部的2372工作面，其采空区内的瓦斯涌入到3372东上工作面很少，可以忽略不计。

2.2　综采面瓦斯积聚的原因分析

3372东上工作面瓦斯积聚是开采方法、煤层倾角、通风方式共同作用的结果。由于采用综合机械化采煤法，在开采出大量煤炭的同时也伴随着大量瓦斯的涌出，在U型通风的作用下，大部分瓦斯随风流由进风巷进入回风巷，由于瓦斯密度比空气小且煤层倾角较大，在瓦斯浓度梯度的作用下，伴随着煤层开采，产生的高浓度瓦斯向采空区低瓦斯方向流动，沿着煤层顶板进入采空区上部，漏入采空区的风流把采空区的高浓度瓦斯带回工作面和主风流在上隅角处汇合，由于回风流处风流较小且局部处于涡流状态，不利于瓦斯的排出，从而造成瓦斯在上隅角处积聚[7-8]。采空区中后部的遗煤散发的瓦斯在瓦斯浮力作用下部分随风流进入回风流，大部分在采空区上部积聚，而上邻近层涌出的瓦斯通过裂缝带也积聚在采空区上部。3372东上工作面采空区瓦斯流场见图2。

图2　3372东上工作面采空区瓦斯流场

3综采面瓦斯防治技术

针对3372东上工作面大倾角综采面的实际地质条件，通过分析3372东上工作面瓦斯来源和探讨瓦斯积聚的原因，提出对角埋管抽放、高位钻孔抽放的瓦斯防治技术。

3.1　对角埋管抽放技术

在3372东上工作面开切眼的回风巷侧开挖斜巷，使其与12东2石门相连，并埋入2条长76m直径为159mm的铁管(铁管上均匀布满小孔)，其他瓦斯抽放管是同样直径的PE瓦斯抽放管。当安放好瓦斯抽放管后将斜巷封闭，在回风巷保护煤柱侧采空区内埋入长5m直径为159mm的铁管，铁管通过软管和瓦斯抽放管连接起来，瓦斯抽放管上每隔一定距离安装一组除尘箱和放水器，每隔一定时间清理除尘箱内的煤尘，用7.5kW的绞车通过钢丝来移动回风巷里的铁管，确保铁管达到理想的抽放效果。瓦斯抽放管与放在12东2石门和3石门之间的瓦斯移动抽放泵站系统中的双电源水环式2BEA-253真空泵相连，瓦斯移动抽放泵站系统位于连接12水平东翼回风大巷和岩石运输大巷的联络巷内。3372东上工作面对角埋管瓦斯泵站、管路布置见图3。

图3　3372东上工作面对角埋管瓦斯泵站、管路布置

采用对角埋管抽放技术治理上隅角瓦斯，改变了采空区正常风流方向与流量。为了预防采空区煤自燃，根据矿井实际情况，设计采用预防性黄泥灌浆，随着采煤工作面向前推进，随采随灌浆。灌浆用水采用经处理后的井下排水或生活污水等。

3.2　高位钻孔抽放技术

3.2.1高位钻孔瓦斯抽放机理分析

随着工作面的推进，采空区上方上覆岩层的原岩应力平衡遭到破坏，重新达到稳定的过程中在垂直方向和水平方向上分别形成“竖三带”、“横三区”，穿层裂隙与离层裂隙这两种主要裂隙也是在此期间形成。因岩层的厚度及岩性的不同而产生的非均匀下降是离层裂隙形成的主要原因，上覆岩层的弯曲、变形、破坏是形成穿层裂隙的主要原因，这两种裂隙在“竖三带”的裂隙带中表现最为明显。由于保护煤柱和冒落岩石的作用，在裂隙带下部中的离层区因受支撑而长期存在，离层区和工作面在采空区上方形成“O”形圈。

受采动影响而产生的上邻近层中的卸压瓦斯由于瓦斯梯度压力作用进入裂隙带中的“O”形圈，采空区遗煤产生的瓦斯在瓦斯浮力的作用下进入“O”形圈，这样“O”形圈为瓦斯流动、存储分别提供了通道和空间。因此高位钻孔瓦斯抽放就是把抽放钻孔末端布置在“O”形圈中，利用抽放负压把瓦斯提前抽出来，防止瓦斯进入工作面[9-10]。

3.2.2高位钻孔瓦斯抽放技术

在3372东上工作面开切眼以东100m处垂直于回风巷开挖第一个瓦斯抽放钻场，然后往上山方向每隔50m开挖一个钻场，在回风巷共计有11个钻场，每个钻场深为5m，断面大小为7m2，用钻机在钻场内施工深度为70～75m的4个高位瓦斯抽放钻孔。为了确保抽放的连续性每2个钻孔交叉20m，高位钻孔用软管和回风巷内的PE瓦斯抽放管连接。结合3372东上工作面上覆岩层的岩性，根据经验公式知该面垮落带最大高度在8.13m左右，裂缝带最大高度在32.89m左右。由于工作面上方各部分岩性不同，为了取得较好的抽放效果，高位钻孔在水平方向上距回风巷为15～20m，钻孔末端在垂直方向上在顶板裂缝带内10～15m之间，4个高位瓦斯抽放钻孔的孔径和封孔段长度分别为89mm，108mm，封孔深度为6～8m。封孔用的材料是水泥砂浆，高位钻孔抽放管最终连接到12东2石门和3石门之间的瓦斯移动抽放泵站系统上，3372东上工作面钻场、钻孔布置图见图4。

图4　3372东上工作面钻场、钻孔布置

4瓦斯治理效果分析

在回风巷的埋管和斜巷内封闭的2条瓦斯抽放管，使采空区下部瓦斯的流动呈现Y型通风的流动效果。在开采初期，由于是2条瓦斯抽放管路抽放上隅角瓦斯，瓦斯抽放纯量平均达到3.5m3/min，对上隅角及开切眼区域的瓦斯治理效果明显；随着工作面向前推进至40m左右时，高位瓦斯抽放钻孔开始发挥作用，在高位钻孔抽放稳定的过程中，瓦斯抽放管内混合瓦斯浓度在18%～23%之间，纯瓦斯流量最高时达到5.2m3/min。瓦斯防治技术在3372东上工作面实施后，回风流中瓦斯浓度最高时仅为0.5%，瓦斯治理效果明显。

5结论

(1)结合3372东上工作面的实际地质条件，通过分析瓦斯来源和探讨瓦斯积聚的原因，得出3372东上工作面上隅角附近是瓦斯治理的重点区域。

(2)在斜巷和回风巷内埋的2条瓦斯抽放管，在上隅角瓦斯的治理中发挥重要作用，使上隅角下部的瓦斯流动呈现Y型通风的流动效果。

(3)采用对角埋管抽放、高位钻孔抽放瓦斯治理技术，在3372东上工作面正常推进的过程中，回风流中瓦斯浓度最高时仅为0.5%，有效控制了工作面的高浓度瓦斯。

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[责任编辑：施红霞]

[作者简介]许华威(1990-)，男，河南周口人，在读硕士研究生，研究方向为矿山压力与岩层控制。

[收稿日期]2015-01-04

[中图分类号]TD712.6

[文献标识码]B

[文章编号]1006-6225(2015)05-0074-03