井下相邻采空区有害气体防治技术研究

常建国

(大同煤矿集团公司 通风处，山西 大同 037000)

·试验研究·

井下相邻采空区有害气体防治技术研究

常建国

(大同煤矿集团公司 通风处，山西 大同 037000)

针对塔山煤矿特厚煤层小煤柱工作面开采期间由于沿空掘巷导致与相邻采空区出现呼吸现象的问题，提出了利用地面钻孔抽放结合井下注氮，置换采空区高浓度瓦斯气体的解决方案。一方面平衡相邻采空区与小煤柱工作面之间的压差，消除采空区“呼吸”问题；另一方面利用氮气将采空区高浓度瓦斯逐步置换，使采空区内形成低瓦斯含量的混合气体，消除采空区瓦斯、自燃隐患，为小煤柱工作面的安全顺利开采奠定了基础。

特厚煤层；小煤柱工作面；采空区；地面钻孔；井下注氮

1 概 述

8204小煤柱综放工作面是塔山矿第1个留设小煤柱的工作面，该工作面与8206已采工作面相邻，其中5204巷是8204工作面的回风巷，与8206工作面采空区相邻，留设煤柱仅为6 m. 具体位置关系图见图1.

图1 8204小煤柱工作面与8206采空区位置关系图

8206工作面于2010年8月回采完毕，并及时组织封闭。根据束管监测数据显示：自工作面封闭以来，采空区O2浓度在1.8%～3.0%，CO为0×10-6，瓦斯浓度在25%～27%，各项自然发火标志性气体均控制在标准要求范围内。

自该5204巷进入小煤柱掘进阶段以来，8206采空区O2及CO浓度出现明显的上升趋势，并呈现明显的“呼吸”现象，根据束管监测数据及取样化验数据显示，8206采空区O2浓度最高达到14%，CO最高达到80×10-6.

因此，提出对8206采空区实施地面瓦斯抽放结合井下注氮的技术手段，一方面可以平衡8206采空区与5204巷内的气压，消除采空区“呼吸”问题；另一方面可以利用氮气将采空区高浓度瓦斯逐步置换，使采空区内形成低瓦斯含量的混合气体，防止8204工作面掘进及回采期间采空区气体溢出，消除采空区瓦斯、自燃隐患。

2 技术原理分析

本方案主要依据采空区内气体由于轻重不同而分层分布的原理，考虑在采空区底部注入分子量较重的氮气，进一步将分子量较轻的瓦斯气体挤到采空区上部，通过在地面施工垂直钻孔至采空区上部，利用瓦斯抽放泵进行抽放，提供稳定负压，使采空区上部高浓度瓦斯混合气体排出地面，从而实现采空区高浓度瓦斯气体的置换(具体情况见图2).同时，为了平衡采空区压差，消除“呼吸”现象，防止因抽放造成自然发火，需充分考虑抽放和注氮之间量的平衡关系。

图2 注氮置换采空区高浓度瓦斯采空区流场示意图

若垮落带高度按照3倍采高考虑，则8206工作面采空空间为长1 182 m×宽230.5 m×高50 m，采空区赋存混合气体总量为1 362万m3. 考虑瓦斯自然上浮，高浓度瓦斯混合气体存在于采空区上部，将采空空间从垂直方向上分为上部30 m和下部20 m两部分，其中上部30 m为高浓度瓦斯混合气体存在区域。

通过初步计算和分析，考虑现场实施的诸多因素影响，为确保在8204工作面投产前，完成气体置换，初步设计钻孔抽排混合量为75 m3/min，井下需同时注入的氮气量不得低于4 500 m3/h.

3 参数确定

根据上述抽放量的要求，设计布置2个地面瓦斯抽放钻孔。综合考虑采空区“三带”划分以及“O”形圈理论，结合8206工作面回采实际情况，确定地面瓦斯抽放钻孔布置的参数如下：

1) 走向及内错。

考虑8206工作面距停采线80 m进入不放煤区，则退后200 m为采空区垮落较好区域，结合8204工作面走向长度，确定钻孔走向位置为距8206工作面停采线280 m，此处距8204工作面切眼498 m，基本位于8204工作面中部，能够起到最佳的治理效果。

若冒落高度按照3倍采高(50 m)计算，垮落角按照52°计算，则可知“O”形圈位置在内错5206巷40 m处，考虑到8206工作面开采期间“头三尾四”不放煤，设计将钻孔开孔位置定位内错5206巷60 m.

2) 终孔位置。

为了抽出高浓度瓦斯混合气体，终孔位置需位于采空区断裂带。根据8214工作面地面“L”型钻孔抽放结果分析，确定采空区垮落带高度为50 m，根据钻孔施工期间气体及孔内窥视情况，初步设计钻孔终孔位置距煤层底板125 m. 钻孔位置布置具体见图3，4.

图3 地面抽放钻孔位置布置示意图

图4 地面钻孔剖面示意图

3) 孔径及套管。

结合单孔瓦斯抽排混合量要求，通过初步计算，确定施工钻孔d311 mm. 考虑到上覆岩层含高龄质泥岩遇水膨胀，容易堵孔，同时从钻孔的整体抽放效率出发考虑，需对钻孔下套管护孔，根据工作面上覆岩层实际情况，套管设计选用d219 mm×10 mm无缝钢管，下套管长度125 m. 具体钻孔参数见表1，钻孔结构图见图5.

表1 8204工作面地面垂直钻孔布置参数表

图5 地面抽放钻孔平面示意图

4 地面抽放及井下注氮系统布置

1) 抽放系统。

综合考虑地表地形及钻孔布置位置，设计在8206工作面地面合适位置布置地面临时抽放泵站。

根据钻孔单孔抽放量估算，泵站设计选择1套(1用1备2台泵)2BEY42型水环真空泵，配套DN300钢管作为抽放管路与钻孔连接抽放。瓦斯抽放泵具体参数见表2.

表2 2BEY42型水环真空泵主要技术参数表

2) 注氮系统。

按照方案要求，8206采空区需配备4 500 m3/h的注氮能力。结合矿井实际注氮系统布置及注氮能力，设计分别利用5206巷、2206巷停采线预埋管路以及通过5204沿空巷道施工钻孔到8206工作面采空区进行注氮，注氮系统布置具体如下：

a) 5206巷注氮系统：利用二盘区地面制氮机进行注氮，注氮管路利用5206巷现有d108注氮管路与二盘区回风巷现有d273注氮管路连接。

b) 2206巷注氮系统：在2206配巷稳设4台DM-1200/10煤矿用移动式膜分离制氮装置(单台制氮能力为500 m3/h)，由2206巷措施孔进行注氮。

c) 5204巷注氮系统：利用二盘区地面制氮机进行注氮，提前在5204巷铺设一趟d159注氮管路，通过在5204巷小煤柱侧向8206采空区方向施工d108注氮钻孔对8206采空区进行注氮。

根据方案要求，3套注氮系统总的注氮量不低于4 500 m3/h，初步设计3处注氮量平均分配，即每处注氮量不低于1 500 m3/h. 塔山矿二盘区地面制氮车间配备4台能力为3 000 m3/h的制氮机，完全满足5206巷、5204巷的注氮要求，另外，2206巷移动制氮设备总能力达2 000 m3/h，满足2206巷注氮需求。

5 效果分析

截止到8204小煤柱工作面开采前，8206工作面采空区地面抽放结合井下注氮置换采空区有害气体工作共持续3个月时间。地面1#、2#瓦斯抽放钻孔抽出瓦斯浓度均降至2.0%左右，5204巷取样化验数据显示8206采空区瓦斯浓度降至1.5%以下。1#、2#瓦斯抽放钻孔抽放浓度变化情况以及5204巷取样化验数据变化分别见图6，图7.

图6 1#、2#瓦斯抽放钻孔抽放浓度变化曲线图

图7 5204巷取样孔瓦斯浓度变化曲线图

3个月内，8206工作面地面抽放累计抽排瓦斯纯量537 842 m3，井下累计注氮4 773 753 m3，降低了采空区瓦斯浓度。同时，通过注氮和抽放量的调控，保持了采空区处于正压状态，杜绝了呼吸现象，防止了采空区自然发火以及有害气体泄漏到5204巷，为8204工作面的安全顺利开采奠定了基础。

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Study on Prevention and Control Technology of Harmful Gas in Underground Adjacent Goaf

CHANG Jianguo

During the mining of extra-thick coal seam with small coal pillar in Tashan coal mine, due to the occurrence of respiration in the goaf along the roadway, the paper puts forward the solution of ground drilling and drainage combined with underground nitrogen injection, to achieve the displacement of the high gas in goaf. By so, the gap between the adjacent mined-out area and the current mining face is getting balanced, the breathing problem eliminated, on the other hand, the high concentration of methane in the goaf is displaced by nitrogen, risk of spontaneous combustion hazards removed, laid the foundation for safe mining.

2017-01-12

常建国(1968—)，男，山西大同人，1992年毕业于北京煤炭管理干部学院，工程师，主要从事煤矿通风技术管理工作(E-mail)szp6356@163.com

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1672-0652(2017)02-0015-04