薄煤層綜采面低位鉆孔瓦斯治理試驗

王神虎，任智敏，胡耀青

（1.太原理工大學采礦工藝研究所，山西 太原030024；2.山西煤炭職業(yè)技術(shù)學院，山西 太原030031）

隨著中厚煤層資源的減少及煤炭資源需求的增加，要求產(chǎn)量不斷提升，高效開采薄煤層已成為煤炭行業(yè)的需要，薄煤層回采工作面過風斷面小，受礦井總風量及巷道風速的限制，僅利用通風的方法、不能有效的解決回采工作面的瓦斯涌出問題，瓦斯超限已成為制約薄煤層工作面高產(chǎn)高效的主要因素，且是重大危險隱患，為此，國內(nèi)外學者提出了多種方法治理瓦斯超限技術(shù)［1－6］。受礦井條件不同等因素的影響，每種抽放方式的抽放效果及適應(yīng)條件還需要進一步工業(yè)試驗驗證。通過試驗回風順槽低位抽放瓦斯治理方法對回采工作面瓦斯的治理效果，為解決高瓦斯薄煤層綜采工作面瓦斯涌出超限問題提供參考。

1 試驗開采煤層及工作面概況

試驗煤礦為近距離、近水平煤層群開采礦，井田內(nèi)可采煤層和局部開采煤層為山西組2＃、3＃、6＃和太原組12＃、15＃煤層。其中山西組2＃、3＃、6＃煤層已采空，太原組12＃煤層為薄煤層，15＃煤層為中厚煤層，是下組煤的主采煤層，具有煤與瓦斯突出危險，作為下保護層先行開采的12＃號煤層，試驗工作面1205，工作面設(shè)計長度150m，煤層平均厚度1.28m，工作面為走向長壁布置，采用綜合機械化采煤工藝，工作面采用后退式開采，全部垮落法管理頂板。煤層傾角3°～7°，開采深度為423～447m，液壓支架有效通風斷面6.2m2。“三機”配套能力為50～60萬t／a。工作面采用U＋L型通風方式，先前開采時統(tǒng)計工作面瓦斯涌出量46～53m3／min。實測12＃煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0259～0.0554α／d－1，煤層透氣性系數(shù)為1.71～6.90λ／m2／MPa2·d，屬于可以抽放～較難抽放煤層。

2 試驗方案及結(jié)果

2.1 試驗方案

12號煤層1205試驗工作面共布置三條巷道：一條回風順槽為運料巷兼作回風巷，斷面為10.5m2；一條正巷為運輸順槽兼作進風巷，斷面為11.5m2；一條外錯瓦斯尾巷為專用排瓦斯巷，斷面為9.9m2。）抽放管路設(shè)置：瓦斯尾巷敷設(shè)兩趟Φ380mm瓦斯抽放管，一趟高濃度瓦斯抽放管，一趟低濃度瓦斯抽放管，均在瓦斯尾巷口與采區(qū)回風巷的主抽放系統(tǒng)連接。

試驗分為二個階段，第一階段：抽放鉆孔布置方式瓦斯抽放孔布置方式為：在瓦斯尾巷內(nèi)距切眼10m、20m處各打一低位孔，孔長40m左右，終孔位置為白砂巖，以解決初采期瓦斯；在低位孔之后每40～50m布置一個鉆孔（高位鉆孔）［7］，傾角為37°～38°，終孔位置為9＃煤層，以解決鄰近層瓦斯；通過貫眼抽采空區(qū)瓦斯。第二階段：工作面推進120m后，在保持第一階段瓦斯抽放方式不變的基礎(chǔ)上，實施回風順槽低位鉆場抽放，通過回風順槽鉆場鉆孔抽放11＃煤及其附近瓦斯，抽放鉆孔設(shè)置：回風順槽在切眼以外每20m布置一個鉆場，每個鉆場設(shè)計4個鉆孔，終孔要打到工作面上方11＃煤層以上，向工作面延伸15～60m，抽放工作面支架上部頂板裂隙瓦斯，稱之為回風順槽低位鉆場。鉆孔呈扇形迎向風流方向布置，終孔位置沿工作面方向分布在60m范圍。1205工作面巷道及鉆場布置（圖1，圖2）。

2.2 試驗方案實施

第一階段：實施瓦斯尾巷高位鉆孔抽放

1205試驗工作面2012年2月開始組織回采，布置瓦斯抽放鉆孔，實施瓦斯抽放。從初采階段開始，隨著瓦斯涌出量逐漸增大，到2月底3月初工作面瓦斯涌出量從10m3／min逐步增到49m3／min左右。在工作面生產(chǎn)過程中，工作面后部60m風流瓦斯?jié)舛仍?.72%左右；上隅角瓦斯?jié)舛仍?.0%左右；回風巷瓦斯?jié)舛?.8%～1%；瓦斯尾巷貫眼瓦斯?jié)舛染?%以上，個別貫眼瓦斯?jié)舛冗_到6%。工作面、上隅角、回風流、瓦斯尾巷瓦斯超限頻繁，造成工作面無法進行正常生產(chǎn)，將工作面配風量由設(shè)計1230m3／min調(diào)至上限值1630m3／min左右，調(diào)整瓦斯尾巷的分配，工作面已經(jīng)達到最大風速，不能再進行增加，試驗加大瓦斯尾巷高位鉆孔的抽放力度，但收效甚微，據(jù)統(tǒng)計，在該開采條件下，瓦斯涌出量大約在69m3／min左右，其中抽放量為42m3／min，風排量達到27m3／min，抽采率為60%左右。瓦斯超限沒有得到有效遏制，工作面推進度只有1.8～2.4m／d。4月、5月、6月份1205工作面瓦斯抽采情況觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

圖1 回風順槽低位鉆孔立體示意圖

圖2 回風順槽低位鉆孔布置圖

表1 1205試驗工作面第一階段瓦斯抽采情況統(tǒng)計表

第二階段：實施回風順槽低位鉆孔抽放

在工作面推過240m后 ，按照試驗計劃，在保持第一階段抽放方式不變的基礎(chǔ)上，實施了回風順槽低位鉆孔，觀測數(shù)據(jù)表明工作面回風順槽道內(nèi)瓦斯含量明顯減少，瓦斯?jié)舛让黠@下降：其回風順槽瓦斯?jié)舛冉抵?.5%左右，瓦斯尾巷瓦斯?jié)舛冉抵?.8%左右，工作面瓦斯?jié)舛冉抵?.5%左右，上隅角瓦斯?jié)舛冉抵?.7%左右。將工作面推進度由1.8～2.4m／d增加到4.2～4.8m／d，工作系統(tǒng)內(nèi)瓦斯涌出量基本沒有增加。工作面瓦斯涌出及抽采量見表2。瓦斯抽采率顯著提高，呈現(xiàn)出高濃度抽放率升高，低濃度瓦斯抽放率和風排率降低。

表2 1205試驗工作面第二階段瓦斯抽采情況統(tǒng)計表

2.3 試驗結(jié)果分析

根據(jù)表1、表2計算出1205試驗工作面，兩個階段的風排率、高濃度抽采率、低濃度抽采率，結(jié)果見表3。

表3 1205試驗工作面第一階段與第二階段主要抽采指標對照表

表3 反映出高濃度抽采率增高25.4%，低濃度瓦斯抽采率降低5.09%，總抽采率增加20.81%，風排率降低，風排量占風排能力的百分比提高，通風條件改善，系統(tǒng)可靠性顯著提高。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，結(jié)合采煤工作面上覆巖層移動三帶理論（即工作面開采后巖層的跨落和移動狀況，將其分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶）。可以得出：冒落帶內(nèi)的卸壓瓦斯會直接進入開采空間，部分隨風流排出，來不及排放的部分暫時滯留在工作面或采空區(qū)內(nèi)的空隙內(nèi)；裂隙帶內(nèi)的卸壓瓦斯則通過采動縱向裂隙逐步向開采空間滲透，將裂隙帶最下部或裂隙帶與冒落帶過渡區(qū)域稱為低位瓦斯富集區(qū)，該區(qū)瓦斯受采場負壓的作用大，容易涌向開采空間。低位富集帶卸壓瓦斯釋放到開采空間并被新鮮風流逐步稀釋帶走，當瓦斯釋放速度超過風流排放能力，就會造成瓦斯超限，采用低位鉆孔抽放，可以解決此問題。縱向裂隙發(fā)育程度與距開采煤層的距離成反比，距開采煤層距離越遠，則縱向裂隙的發(fā)育程度就越差，瓦斯向開采空間流動的阻力就越大，彎曲下沉帶不會產(chǎn)生采動縱向裂隙，該區(qū)域卸壓瓦斯，一般會匯集于離層空間內(nèi)，稱此區(qū)域為高位瓦斯富集區(qū)。利用高位鉆孔抽放此區(qū)域內(nèi)的瓦斯，可以提高瓦斯抽放率［8－10］。

3 結(jié)論

1）薄煤層綜采工作面采用在低位瓦斯抽放鉆孔，對解決工作面上隅角瓦斯超限的問題有很好的效果，可以保證綜采工作面的安全生產(chǎn)，試驗僅對抽放后瓦斯的涌出量及抽放量作了統(tǒng)計分析，從宏觀的角度分析了低位瓦斯抽放鉆孔抽放效果，判定了低位鉆孔抽放的可行性，沒有統(tǒng)計鉆孔的瓦斯抽出量，確定出最佳的鉆孔參數(shù)，建議在此試驗的基礎(chǔ)上，進行進一步的現(xiàn)場試驗，確定合理的鉆孔參數(shù)，細化試驗成果。

2）通過考察分析，回風順槽低位鉆孔，鉆孔呈扇形迎向風流方向布置，風流方向與抽放方向相一致，有利于瓦斯抽放，能夠有效的解決試驗煤層的工作面瓦斯超限問題，可用于治理試驗礦井試驗煤層工作面瓦斯涌出，且在試驗期間取得了良好的經(jīng)濟和社會效益，為薄煤層綜采工作面的瓦斯治理提供了試驗參考，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

3）試驗在同一個工作面分兩個階段進行，第二階段，同時存在兩種抽放方式，觀測數(shù)據(jù)有干擾，應(yīng)在進一步的試驗中，單獨使用一種方式，進行抽放效果觀測分析。以得出更為可靠的試驗結(jié)果。

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