综采工作面采空区多层位立体式瓦斯抽采技术*

左明明

(中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113006)

0 引言

进入21世纪以来,随着我国国民经济的快速发展,煤炭资源的需求量也是日益剧增。煤炭资源的开采强度和开采规模不断扩大,造成了瓦斯涌出量的增大,给煤矿职工的身体健康和矿井的安全生产造成了巨大威胁[1-3]。近年来,随着瓦斯治理技术的不断提高,安全生产形势整体好转,但瓦斯事故仍时有发生,绝大多数是因为瓦斯治理效果不佳造成的。为解决综采工作面瓦斯问题,年军[4]根据高瓦斯低透气性煤层的瓦斯赋存特点,分析内错尾巷在瓦斯抽采中的作用,取得了良好效果;高宏等[5-6]针对某矿15号煤层1306末采U型通风工作面上隅角瓦斯问题,采用数值模拟方法对工作面高位钻孔进行分析、优化,提高了瓦斯抽采效果;针对赵庄煤矿1307综采工作面瓦斯治理存在的问题,提出高瓦斯矿井高抽巷和底抽巷联合抽采的瓦斯抽采技术,提高了瓦斯抽采效果,降低了瓦斯涌出量;邵国安等[7]采用理论分析和现场试验的方法,考察大直径钻孔采空区卸压瓦斯抽采技术在小回沟煤业近距离煤层开采采空区瓦斯治理中的应用效果,大直径钻孔的抽采流量达到小直径钻孔的580倍,效果显著;刘超等[8]为解决下石节煤矿222工作面瓦斯超限问题,采用理论分析、数值模拟、相似材料模拟等方法,分析采空区覆岩裂隙演化规律,补充采空区瓦斯流场规律,提出卸压瓦斯抽采方案,将上隅角和回风流瓦斯控制在允许范围内。

为了降低某高瓦斯矿井工作面回采过程中上隅角、回风巷瓦斯浓度,采用以“高位定向长钻孔+采空区横川埋管+采空区上隅角插管”方法强化采空区抽采为主,采空区中位钻孔、穿透钻孔等抽采方法为辅的多层位立体式瓦斯抽采技术,有效保障工作面安全、高效开采。

1 矿井概况

某矿为国有大型煤矿,核定生产能力为8.0 Mt/a,主采3号煤层。煤层厚度2.92～7.68 m,平均约6.24 m,属全区稳定可采煤层。该区域地层平缓,倾角3°～12°,一般小于8°。3号煤层原煤瓦斯含量4.26～15.62 m3/t,原煤瓦斯压力0.13～0.69 MPa,煤层透气性系数0.22～5.15 m2/MPa2·d,坚固性系数0.83～1.33,瓦斯放散初速度23.8～45.6 m/s,钻孔瓦斯流量衰减系数0.011～0.049 d-1。矿井绝对瓦斯涌出量410.8 m3/min,相对瓦斯涌出量为26.15 m3/t,属于高瓦斯矿井。

该矿4321工作面主采3号煤层,工作面采用综采大采高一次采全高采煤工艺,全部垮落法管理顶板。受采空区及邻近层瓦斯涌出影响,综采工作面上隅角经常会处于瓦斯超限临界状态,给矿井的安全生产带来巨大威胁。因此,研究综采工作面采空区瓦斯抽采技术对于该工作面回采过程中上隅角、采空区瓦斯治理具有重要意义。

2 采空区瓦斯多层位立体抽采技术

为了降低工作面回采过程中上隅角、回风巷瓦斯浓度,根据煤层地质条件、顶底板岩性、工作面瓦斯规律、采煤工艺等因素,采用以“高位定向长钻孔+采空区横川埋管+采空区上隅角插管”方法强化采空区抽采为主,采空区中位钻孔、穿透钻孔等抽采方法为辅的多层位立体式瓦斯抽采技术。

2.1 高位定向长钻孔抽采

采用千米钻机在43212回风巷向工作面顶板施工定向长钻孔,对该工作面回采过程中上隅角、采空区瓦斯进行抽采。

在43212回风巷每隔350～400 m布置1个钻场,共布置5个钻场,每个钻场施工4个顶板高位长钻孔,分别布置在采空区顶板竖直方向30 m、40 m、50 m、60 m层位,钻孔长度400 m左右。钻孔首先采用直径120 mm钻头进行施工,再用165 mm、195 mm钻头扩孔,对开孔段煤体进行注浆,保证煤体破碎段的安全施工。高位定向长钻孔布置如图1所示,5#钻场布孔参数见表1。

表1 4321工作面5#钻场顶板高位钻孔终孔位置参数

图1 4321工作面高位长钻孔竣工平面Fig.1 Completion plan of high-level long borehole on 4321 working face

2.2 采空区插管和埋管抽采

4321工作面在回风巷尾部横川封闭时,在闭墙上插入2趟DN350非金属抽采瓦斯管路,同时在回采工作面前方横川中再敷设一趟D400负压风筒(埋入到回采工作面上隅角中),2趟管路同时进行回采工作面采空区抽采瓦斯,避免回采工作面上隅角因风流不畅(或微风)引起的瓦斯超限。随着回采工作面的推进,埋管(负压风筒)逐渐向回采工作面推进方向移动,当回采工作面推过前部横川后,在下一个横川处进行以上操作,如此循环往复来达到回采工作面采空区抽采瓦斯的目的,管路布置如图2所示。

图2 工作面采空区瓦斯抽采方法示意Fig.2 Gas extraction method for goaf of working face

2.3 采空区中位钻孔抽采

采空区中位钻孔主要用来解决工作面初采阶段顶板未垮落期间采空区、上隅角瓦斯积聚问题,布置于靠近过工作面形成时间比较短的采空区裂隙带范围内,在工作面走向方向上的孔身长度有限,主要作用是拦截采空区裂隙带内瓦斯向工作面方向渗流涌出。采用普通钻机在43213巷横川施工中位钻孔,每个位置施工4个中位钻孔,布置在煤层顶板以上15～25 m层位,终孔水平位置距采面回风侧不小于10 m,钻孔间距8～15 m。中位钻孔布置如图3所示。

图3 采空区中位钻孔竣工示意Fig.3 Completion diagram of goaf’s medium-level borehole

2.4 采空区穿透钻孔抽采

采空区穿透钻孔是针对双巷掘进工作面设计的一种采空区瓦斯抽采方法,在工作面回采经过区域垂直煤壁向横川煤柱施工普通顺层钻孔,使采空区通过穿透钻孔与抽采管路相连接,从而达到采空区瓦斯抽采的目的。采空区穿透钻孔布置在巷道顶板下500 mm范围内,穿透煤柱至顺槽巷道,穿透孔间距为5～10 m,每个横川布置4～5个钻孔,孔径不小于160 mm,利用铠装管将各个钻孔连接到直径为400 mm的瓦斯抽采管路上。采空区穿透钻孔布置如图4所示。

3 应用效果考察

3.1 高位定向长钻孔抽采效果分析

4321工作面回采过程中,对5#钻场各高位钻孔瓦斯抽采浓度、纯量进行测定,以2#和3#孔为例对钻孔瓦斯抽采情况进行分析。

2#钻孔:随着工作面回采,钻孔浓度逐步升高至50%,并能一直维持此高浓度。鉴于2#钻孔浓度较高,将其从采空区抽放倒至本煤层抽放,混量由0.6 m3/min提升至1.4 m3/min,而高浓度未变化。初步判断钻孔终孔位置在“O”型圈内。2#钻孔抽采浓度、纯量随推进距离变化如图5所示。

图5 2#钻孔浓度、纯量变化曲线Fig.5 Change curve of the concentration and pure value of 2# borehole

3#钻孔:3#钻孔是所有钻孔里抽放效果最好的孔,浓度始终能达到50%左右,为了提升能力,将其从采空区抽放倒至本煤层抽放,混量由原来0.5 m3/min提升至1.1 m3/min,而浓度基本未变。初步判断钻孔终孔位置分布在“O”型圈内。3#钻孔抽采浓度、纯量随推进距离变化如图6所示。

图6 3#钻孔浓度、纯量变化曲线Fig.6 Change curve of the concentration and pure value of 3# borehole

3.2 采空区横川埋管瓦斯抽采

通过现场测定数据可知,采空区插管抽采纯量为3～30 m3/min,平均约为10.23 m3/min,如图7所示。

图7 采空区插管瓦斯抽采量变化折线Fig.7 Changing fold line of pipe-inserting gas extraction in goaf

3.3 中位钻孔抽采效果

对25#横川位置中位钻孔瓦斯抽采数据进行统计,回采期间25#横川位置中位钻孔瓦斯抽采混量、抽采浓度随推进距离变化关系如图8所示。

图8 中位钻孔瓦斯抽采数据随推进距离变化折线Fig.8 Changing fold line of medium-level borehole gas extraction data with advancing distance

由图8可知,工作面推进至14～32 m左右时,中位钻孔实现高流量、高浓度抽采,混量为33～38 m3/min,纯量为3～12 m3/min,浓度最高达到35%;当工作面推进至40 m时,工作面初次来压,此时中位钻孔瓦斯抽采混量骤减,说明工作面初次来压时会瞬间影响25#横川中位钻场的采空区区域的透气性,可能由于中位钻孔整个孔身位于采空区冒落带范围内,基本顶的初次垮落使得冒落带区域矸石承受部分基本顶载荷,冒落区区域空隙率减小,透气性变差,导致抽采混量减小;工作面初次来压之前,25#横川中位钻场瓦斯抽采浓度逐渐减小,此时采空区顶板裂隙三带尚未形成,上下临近煤层瓦斯无法涌出到该采空区内,采空区内瓦斯生成量低于瓦斯抽采量,采空区内瓦斯逐渐衰竭。

3.4 穿透钻孔效果

对4321工作面回采过程中穿透钻孔瓦斯抽采纯量、混量及浓度等数据进行测定,随工作面推进穿透钻孔瓦斯抽采混量、纯量及浓度变化曲线如图9所示。

图9 采空区穿透钻孔瓦斯抽采量及浓度变化曲线Fig.9 Change curve of penetrating borehole’s gas extraction volume and concentration in goaf

由图9可知,在工作面推进过程中,采空区穿透钻孔瓦斯抽采混量、纯量及浓度变化波动较大,瓦斯抽采纯量最大可达10 m3/min以上,抽采浓度最高可达60%;工作面向前推进至150 m左右时,瓦斯抽采纯量和浓度变化逐渐趋于稳定,瓦斯抽采纯量约3 m3/min,浓度约35%。

3.5 工作面瓦斯治理效果

通过采用高位定向长钻孔、采空区插管、上隅角埋管、中位钻孔抽采及穿透钻孔抽采等瓦斯治理方法,4321工作面回采过程中上隅角瓦斯浓度为0.32%～0.65%,平均约0.45%;工作面回风流最大瓦斯浓度为0.22%～0.52%,平均约0.38%;有效治理上隅角瓦斯,实现回采过程中瓦斯零超限、瓦斯零事故。

4 结论

(1)根据矿井地质条件、煤层及瓦斯赋存等因素,形成“高位定向长钻孔+采空区横川埋管+采空区上隅角插管”方法强化采空区抽采为主,采空区中位钻孔、采空区穿透钻孔等抽采方法为辅的多层位立体式采空区瓦斯综合治理方案。

(2)通过瓦斯治理方案现场实施,4321工作面回采过程中上隅角瓦斯浓度为0.32%～0.65%,平均约0.45%;工作面回风流瓦斯浓度为0.22%～0.52%,平均约0.38%,有效解决工作面上隅角及回风流瓦斯涌出问题,实现瓦斯零超限。