平煤十礦綜合瓦斯抽采技術應用研究＊

2014-04-20 01:40:58郝相龍豆孝星朱同功

中國煤炭 2014年3期

郝相龍豆孝星朱同功

（1.平頂山天安煤業股份有限公司十礦，河南省平頂山市，467013；2.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083）

1 礦井概況

平頂山天安煤業股份有限公司十礦（以下簡稱平煤十礦）于1964 年投產，經歷兩次改擴建后，生產規模330萬t／a，礦井面積31.5km2。主要含煤地層為上石炭統太原組、下二疊統山西組、下石盒子組、上二疊統上石盒子組，含煤41層，含煤系數4.62%。全礦有-140 m、-320 m 兩個水平；有己二、己四、北翼東區、北翼中區和-140 m 殘采區5個采區。目前，平煤十礦主采丁組、戊組、己組三組煤層，采用多水平立井、斜井綜合開拓方式，走向長壁采煤法，全部垮落法管理頂板，分區抽出式通風。礦井地質構造特征總體為一傾向NNE的單斜構造，對采掘生產影響不大。1988年礦井在戊9.10-20090 聯絡巷首次發生煤與瓦斯突出，截至目前共發生突出50次，其中丁組24次，戊組18次，己組8次。2011年礦井瓦斯等級鑒定結果顯示，礦井瓦斯絕對涌出量為110.02 m3／min，相對涌出量為21.26m3／t。由于平煤十礦各含煤地層及煤層透氣性系數較低，煤層瓦斯抽采難度大，僅依靠常規手段難以保證工作面的安全回采，需要拓寬思路，尋找有效防治瓦斯災害方法。

2 平煤十礦綜合瓦斯抽采技術

2.1 本煤層抽采

（1）順層長鉆孔預抽。平煤十礦為確保鉆孔控制全采面，不留抽采空白帶，在工作面進風巷、回風巷和開切眼沿煤層施工順層長鉆孔，回采前進行瓦斯預抽。其中，進風巷抽采孔孔深110m，回風巷和開切眼抽采孔孔深100m，孔徑89mm，孔間距2.5m，有效封孔長度15m 以上，進風巷和回風巷預抽鉆孔終孔位置交叉應不小于10 m。鉆孔施工完畢后，連接到瓦斯抽采管路進行抽采，預抽期6個月以上。平煤十礦順層長鉆孔布置如圖1所示。

圖1 平煤十礦順層長鉆孔布置

（2）采面淺孔抽采。為解決由于地質構造等原因造成順層長鉆孔無法施工至設計深度而出現瓦斯抽采空白帶的問題，平煤十礦在工作面回采期間施工采面淺孔治理瓦斯，利用工作面前方煤體在集中應力作用下發生擴容現象，提高煤層透氣性。抽采淺孔沿回采工作面推進方向順煤層走向布置，鉆孔直徑89 mm，鉆孔深度25 m，鉆孔間距1.5 m，鉆孔施工后及時聯網預抽，抽采時間以最后一個鉆孔施工完畢為準，不得低于2h，抽放負壓不小于15kPa。平煤十礦采面淺孔鉆孔布置如圖2所示。

圖2 平煤十礦采面淺孔鉆孔布置

（3）高位巷穿層預抽。為掩護進風巷正常掘進，平煤十礦采用高位巷穿層預抽技術對進風巷周圍煤體瓦斯進行預抽。高位巷布置在煤層頂板6～8m 以上，與進風巷設計位置下錯20m 處，在高位巷內每間隔25m 布置一個鉆場，鉆場內施工55個抽采鉆孔，呈5 排扇形布置，走向控制進風巷30m，縱向控制進風巷下幫10m、上幫20m，預抽時間6個月以上。平煤十礦高位巷預抽瓦斯鉆孔布置如圖3所示。

圖3 平煤十礦高位巷穿層抽采鉆孔布置圖

（4）底抽巷穿層預抽。根據平煤十礦瓦斯治理情況分析本煤層順層長鉆孔深度超過80m 后，鉆孔軌跡不可控，不能有效控制治理區域，采面中部易出現抽采空白帶和薄弱帶，導致回采期間瓦斯涌出量異常。為解決此類問題，平煤十礦采用底抽巷穿層預抽技術。在底抽巷內每間隔5 m 施工一組加密穿層預抽鉆孔，鉆孔直徑94mm，每組12個鉆孔，鉆孔深度均以見回采煤層頂板0.5m 為準，重點控制回采工作面中部區域。平煤十礦底抽巷穿層鉆孔布置如圖4所示。

圖4 平煤十礦底抽巷穿層鉆孔布置

2.2 采空區抽采

（1）高位尾巷。為解決回采期間采空區瓦斯涌出量大的問題，平煤十礦利用高位尾巷治理采空區瓦斯。在巷道內鋪設一趟直徑500mm 抽采管路至設計停采線位置，構筑密閉實行巷抽。抽采的采空區瓦斯直接排入瓦斯專用回風巷，構成高位尾巷抽采系統。

（2）上隅角插管抽采技術。平煤十礦在工作面回采期間，為防止因上隅角瓦斯聚集造成的瓦斯超限，在風巷內鋪設一趟直徑300mm 的瓦斯抽采管路，抽采管的末端安置于上隅角內，盡量靠近煤層頂板吊掛并對其進行抽采，抽采的瓦斯直接排至瓦斯專用巷里。

2.3 強化增透抽采措施

平煤十礦各主采煤層均屬于低透氣性較難抽采煤層，為提高瓦斯抽采效果，實施了以煤層深孔聚能爆破和煤層淺孔預裂爆破為主的強化增透抽采措施。

（1）煤層深孔聚能爆破。平煤十礦采用深孔聚能爆破增透技術對煤層進行強化改造，提高煤層透氣性。在瓦斯抽采鉆孔間順煤層方向布置爆破孔，采用聚能裝藥結構，爆破孔孔深45 m，孔徑89 mm，爆破孔間距10m 左右，裝藥量30kg。

（2）煤層淺孔預裂爆破。采面回采期間為消除高應力區域和瓦斯異常帶，平煤十礦實施淺孔預裂爆破，增加煤體前方安全屏障，減少應力集中對工作面帶來的威脅。工作面回采前，在預裂爆破區域施工孔深15m 的爆破孔16 個，角度分別為0°和-10°，交替施工。爆破孔單孔裝藥量為12卷乳化炸藥，炸藥每3卷為一簇進行捆綁，采用正向裝藥結構和并聯聯線方式。平煤十礦淺孔預裂爆破裝藥及封孔結構如圖5所示。

圖5 平煤十礦淺孔預裂爆破裝藥及封孔結構示意圖

3 平煤十礦瓦斯抽采效果分析

平煤十礦瓦斯抽采實踐表明，各工作面之間煤層瓦斯預抽效果是相似的。本文以己15-24080工作面為例對煤層瓦斯抽采效果進行分析。

3.1 己15-24080工作面概況

平煤十礦己15-24080工作面位于己四采區西翼第三階段，工作面標高-460～-629 m，埋深631～900m，工作面巷道里段為己15煤層，平均厚度為2.2 m，外段為己15煤層與己16煤層合層，平均厚度為3.5m，煤層傾角8°～20°，平均14°。根據工作面進回風巷掘進期間地質情況可知，該工作面地質構造較為復雜，落差大于1 m 的斷層有8個，編號f1～f8，其中位于進風巷的f3斷層落差4m，延伸至采面中部，對回采影響較大。該工作面為煤與瓦斯突出工作面，煤層最大原始瓦斯壓力2.4MPa，瓦斯含量12.37m3／t，巷道外段合層區域突出危險性較大，里段單一煤層突出危險性較小。

3.2 己15-24080工作面瓦斯抽采效果

己15-24080工作面按分源預測法測得回采期間瓦斯涌出量為15.17 m3／min，屬于高瓦斯工作面，為消除工作面突出危險性，保證工作面安全回采，綜合考慮工作面瓦斯來源、煤層賦存狀況、開采方式以及地質條件等因素，采取了順層長鉆孔預抽、采面淺孔抽采、底抽巷穿層預抽、采空區高位尾巷抽采、煤層淺孔預裂爆破等綜合瓦斯抽采技術。

（1）24080采面巷道形成后，首先利用順層長鉆孔和底板穿層鉆孔實施采前預抽，其中順層長鉆孔自2012年2月最后一個鉆孔施工完畢到2013年2月，預抽期已達到12個月，共抽出瓦斯128.56萬m3，確保了工作面回采初期的安全生產。隨著采面的推進，高位尾巷發揮作用，抽采采空區瓦斯，杜絕了頂板垮落期間瓦斯超限問題。回采期間，利用采面淺孔結合煤層淺孔預裂爆破技術的實施，極大地提高了瓦斯抽采量。采用以上瓦斯綜合抽采措施后，己15-24080綜采工作面瓦斯抽采效果顯著，各抽采系統抽采量見表1。