夾河煤礦深部采區瓦斯涌出特征及防治技術

胡獻伍趙榮才陳 江

(1.江蘇省徐州機電工程高等職業學校,江蘇省徐州市,221011; 2.徐州礦務集團有限公司夾河煤礦,江蘇省徐州市,221000)

夾河煤礦深部采區瓦斯涌出特征及防治技術

胡獻伍1趙榮才2陳 江2

(1.江蘇省徐州機電工程高等職業學校,江蘇省徐州市,221011; 2.徐州礦務集團有限公司夾河煤礦,江蘇省徐州市,221000)

針對夾河煤礦－1010 m采區9445工作面回風流瓦斯高、制約工作面高效生產的問題,提出了采用開采保護層、瓦斯綜合抽采的瓦斯治理技術。對瓦斯抽采各項技術參數進行采集分析,優化了瓦斯抽采各項參數,保障了綜采工作面的安全高效回采。

深部采區 瓦斯涌出特征 開采保護層 高位抽采 采空區抽采

1 概況

徐州礦務集團有限公司夾河煤礦1999年以前礦井開采水平位于－600 m以上,瓦斯相對涌出量為4～6 m3/t,絕對涌出量在10 m3/min左右; 2000年以后礦井開采進入－800 m水平以下,瓦斯涌出量明顯增加,特別是進入－1010 m水平后,工作面瓦斯涌出量達到15～30 m3/min,在采取了瓦斯抽放措施后,回風流瓦斯濃度仍達到0.7%～0.8%。因此,有必要對礦井深部高瓦斯工作面瓦斯涌出規律進行研究,優化抽放參數,提高瓦斯抽采率,降低工作面回風流瓦斯濃度,為工作面安全高效回采創造條件。

2 夾河礦井深部采區瓦斯涌出特征

2.1 開采深度與瓦斯涌出量的變化關系

礦井共劃分為6個水平進行開采,其中第一水平－280 m,為主井和風井的落底水平;第二水平－450 m及第三水平－600 m已開采結束;第四水平－800 m及第五水平－1010 m為現生產水平;第六水平－1200 m為延深水平,現正在進行開拓施工。根據開采期間瓦斯等級鑒定結果,隨著開采深度的增加,瓦斯涌出量不斷增大,特別是進入－800 m水平,瓦斯涌出量增加明顯。

2.2 回采工作面圍巖應力分布與瓦斯涌出的關系

夾河礦采用冒落法管理采空區,隨著采空區面積的增加,圍巖應力場受到采動影響的范圍不斷擴大,圍巖移動區域也相應擴展。根據礦壓觀測資料,回采工作面原始應力區一般位于工作面前方距煤壁大于60～150 m處,巖石處于原始應力場,透氣性系數為原始值;集中應力區出現在工作面前方距煤壁60～150 m到4～5 m范圍內,巖層處于受采動影響形成的應力集中場中,煤、巖層的孔隙率顯著降低,透氣性系數大大降低;應力降低區出現在工作面煤壁前方4～5 m到采空區內50～150 m處。在應力降低區,巖層得到充分的卸壓、裂隙開始發育,并開始互相貫通,形成瓦斯的良好流通通道。為實施高位鉆場頂板走向長鉆孔抽放瓦斯創造了條件。

2.3 采動裂隙場與瓦斯涌出的關系

夾河礦各煤層在采動后,由于應力變化導致煤層上覆巖層內裂隙發育、互相溝通,同時,煤巖體內裂隙還會與采場和采空區溝通,即存在瓦斯涌出通道。流向采空區的瓦斯按來源可分為來自于開采煤層的瓦斯和上鄰近層或下鄰近層的卸壓瓦斯。采空區的瓦斯沿頂板裂隙向上部離層裂隙區轉移,逐步聚集在采空區頂板裂隙帶內。對于采用上行通風的工作面,來自于采空區遺煤析出的瓦斯運動軌跡如圖1所示;對于來自上、下鄰近層的瓦斯涌向采空區的流動軌跡如圖2所示。

圖1 本煤層采空區瓦斯流動示意圖

圖2 下鄰近層的瓦斯涌向采空區的流動

3 夾河煤礦瓦斯綜合治理措施

夾河煤礦共有2＃、7＃、9＃可采煤層,主采7＃、9＃煤層。9445工作面開采9＃煤層,由于9445工作面走向范圍受一條貫穿整個工作面落差大于10 m的斷層影響,工作面分里面和外面進行回采。9445工作面里面的上覆7＃煤層未采,9445工作面外面的上覆7＃煤層已回采結束,本文對9445工作面里面和外面的瓦斯涌出情況進行分析,作為7＃煤層開采后對9＃煤層保護效果的研究依據。

3.1 開采保護層

9445工作面與上方鄰近7＃煤層層間距為28～30 m,與下方鄰近層(不可采的10＃煤層)層間距4～5 m。在9445工作面里、外面回采期間,工作面每推進2 m,對回風流中瓦斯濃度、瓦斯涌出量及瓦斯抽采量進行測量,直至工作面推進70 m停止測量。其推進距離與瓦斯濃度變化關系如圖3所示,推進進度與瓦斯涌出量變化關系如圖4所示。

圖3 9445工作面里、外面回風流瓦斯濃度隨工作面推進度變化關系

圖4 9445工作面里、外面絕對瓦斯涌出量隨工作面推進度變化關系

9＃煤層處于7＃煤層的卸壓保護范圍內,將7＃煤層作為上解放層開采后可以對相應的9＃煤層工作面起到有效的保護作用。當7＃煤層作為上解放層開采后,相應的9＃煤層工作面瓦斯涌出量明顯下降,相對瓦斯涌出量降低了3.73 m3/t,絕對瓦斯涌出量降低了5.71 m3/min,瓦斯涌出量下降33.7%。9445工作面里面回采期間,回風流平均瓦斯濃度達到0.55%,9445工作面外面回采期間,回風流平均瓦斯濃度降至0.28%,回風流瓦斯濃度降低了0.27%。9445工作面里面回采時月平均瓦斯報警次數為14次,9445工作面外面回采時則降低至3次,保障了工作面的安全高效回采。

3.2 瓦斯綜合抽采

9445工作面根據地質條件、采掘工藝和工作面接續、瓦斯涌出量、涌出規律、鄰近層狀況,采用高位鉆場頂板走向長鉆孔瓦斯抽采和采空區瓦斯抽采技術進行了瓦斯綜合治理。

3.2.1 高位鉆場頂板走向長鉆孔瓦斯抽采

9445工作面高位鉆場頂板走向長鉆孔瓦斯抽放技術通過在材料道每隔60～100 m打上山向頂板開掘一個鉆場,通過在鉆場內施工頂板走向鉆孔,使終孔點進入到采空區頂板裂隙帶范圍內,用來抽放采空區內瓦斯,防止采空區瓦斯涌入工作面造成瓦斯超限。高位鉆場頂板走向長鉆孔瓦斯抽放見圖5所示。

圖5 高位鉆場頂板走向長鉆孔瓦斯抽放

(1)鉆場間距的確定。根據鉆孔的有效利用率以及鉆場開掘工程量的大小,鉆場合理間距需要通過鉆孔的實際抽出量進行確定。本文選取間距分別為60 m、80 m、100 m的6＃、7＃、8＃3個鉆場,分別對其瓦斯抽出量進行測定,將數據繪制見圖6。從圖6可以看出,鉆場抽放量隨著鉆場間距的加大而減小,但減小幅度有限。經實測,間距80 m的鉆場僅比60 m的少抽出0.54 m3/min,抽放量減少4.9%;而間距100 m的鉆場比80 m的少抽出3.02 m3/min,抽放量減少28.5%。故確定鉆場間距為80 m。

圖6 不同間距鉆場瓦斯抽出量關系圖

(2)鉆孔長度的確定。在9445工作面里面1＃鉆場抽放期間內,工作面每推進5 m記錄一次高位抽放濃度及流量數據,將數據繪制成曲線圖,見圖7。由圖7可以看出,瓦斯濃度呈現始抽段、高濃度段和衰減段3個階段變化趨勢,當鉆孔在90～40 m時,高位抽放處于高濃度段,抽放效果比較理想,抽放瓦斯濃度9%以上。當鉆孔長度剩25 m時,抽放效果明顯下降,抽放瓦斯濃度下降至6%左右。由此可推出,當兩個鉆場相距80 m時,將鉆孔深度控制在110 m,鉆孔重疊長度確定為30 m,前后鉆場高濃度區段可以銜接嚴密,有效解決前后鉆場交替時高位抽放效果差的問題。

圖7 高位抽放濃度與平距關系圖

(3)鉆孔數量的確定。為了考察高位鉆孔數量與抽出量之間的關系,選擇了9445工作面6＃、7＃、8＃鉆場鉆孔數與瓦斯抽出量關系進行測定分析。6＃、7＃、8＃鉆場使用同一臺抽采泵抽采,鉆場間距均為90 m,鉆孔控制范圍基本一致。6＃、7＃、8＃鉆場鉆孔數量分別為5個、7個、9個,測定時間從前一鉆場進入采空區開始,連續測定30 d,每天每小班測定一次后取平均值,根據測定數據繪制的抽放時間與抽放量關系見圖8。從圖8可以看出,每個鉆場進入穩定階段后,6＃、7＃、8＃鉆場的穩定平均值分別為8.1 m3/min、8.6 m3/min、9.3 m3/min,9個孔的鉆場瓦斯抽放量比7個孔和5個孔的鉆場分別增加了0.9 m3/min和1.2 m3/min,鉆場抽放量隨著鉆孔數的增多而提高,但增加幅度有限,7個孔的鉆場抽放量比5個孔的提高6.2%,9個孔的鉆場抽放量比5個孔的提高14.8%,而打鉆成本和工時卻增加了80%。因此,綜合多種因素考慮,夾河礦高位抽采每個鉆場鉆孔數量確定為5個。

圖8 鉆孔數量與抽出量關系示意圖

來自本煤層或鄰近層的瓦斯,會在浮力作用下沿采動裂隙帶裂隙通道上升,聚集在裂隙帶上部的離層裂隙內。本項目對該離層裂隙高度進行了試驗測定,經過分析確定夾河煤礦9＃煤層裂隙帶最佳抽放高度范圍在11.2～19.6 m,提出高位鉆孔在設計時,應將終孔點高度控制在最優抽放范圍的上限高度,可以提高高位抽放效果。

3.2.2 采空區瓦斯抽采

采空區回風隅角的瓦斯涌出僅依靠通風方法不能得到解決時,利用采空區瓦斯抽放較為有效。根據夾河礦實際條件,采用采空區全封閉式抽放,即在回風隅角砌筑一道臨時密閉墻,在墻內插入抽放管路進行瓦斯抽放。在工作面回風巷內敷設10英寸PVC管,管路每隔24 m接1個三通管件作為抽放采空區瓦斯的吸氣口。隨著工作面推進,管路上的吸氣口進入采空區內最佳抽放位置,通過此口抽放采空區瓦斯,從而防止采空區瓦斯向工作面涌出,消除工作面上隅角瓦斯超限和積聚。

為了研究抽放口距工作面距離與埋管抽放瓦斯效果的關系,將埋管管路從一節三通處斷開,然后埋入上隅角臨時密閉墻內,隨著工作面推進記錄抽放口距工作面的距離與抽放瓦斯濃度和流量,采空區瓦斯抽放量隨抽放管口距工作面距離的變化關系如圖9所示。可見,隨著工作面的推進,抽放位置逐漸遠離工作面,其內瓦斯濃度及瓦斯抽放量呈現出先升高后降低,最終保持在一個恒定值。觀測分析結果表明,采空區瓦斯抽放最佳位置是在距工作面30～60 m的范圍內。

圖9 抽放量與管口距工作面距離的關系

抽放采空區瓦斯對工作面的安全生產存在著兩面性,優點是減少采空區瓦斯涌出量,減輕工作面通風負擔;缺點是采空區漏風量增大,易引起采空區煤炭自然發火。所以,在進行采空區抽放前,必須采取采空區防漏風措施。

4 結論

(1)上解放層的開采保障了工作面的安全高效回采。7＃煤層作為上解放層開采后,9＃煤層受到采動影響,瓦斯壓力降低了55%,瓦斯涌出量下降33.7%,月平均瓦斯報警次數從14次降低至3次。

(2)確定和優化了瓦斯抽采的各項參數。對高位鉆場頂板走向長鉆孔瓦斯抽放技術參數,通過大量的實測數據分析,確定高位鉆場間距宜為80 m,鉆孔的重疊長度應不低于30 m,鉆孔數量宜定為5個。通過對采空區瓦斯抽放技術進行數據分析,提出采空區瓦斯抽放最佳位置是在距工作面30～60 m的范圍內。

通過對深部－1010 m采區9445工作面開采期間的瓦斯涌出變化規律的研究,積累了大量的技術數據,為礦井深部－1200 m采區的瓦斯治理工作提供了技術支持。

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(責任編輯 張艷華)

Gas emission characteristics of deep mining area in Jiahe Coal Mine and its control techniques

Hu Xianwu1,Zhao Rongcai2,Chen Jiang2
(1．Jiangsu Xuzhou Mechanical and Electrical Engineering Higher Vocational School, Xuzhou,Jiangsu 221011,China; 2．Jiahe Coal Mine,Xuzhou Coal Mining Group,Xuzhou,Jiangsu,221000,China)

Aimed at the problem of high gas content in return air current at 9445 working face of－1010 m mining area,which restricted the high efficient production,the comprehensive gas control techniques were proposed,including protective layer mining and comprehensive gas drainage．All of the technical parameters of gas drainage were collected,analyzed,and then optimized,so that the safe and efficient extraction at the working face was ensured．

deep mining area,gas emission characteristics,protective layer mining,drainage at high level,drainage in goaf

TD712.52 TD712.62

A

胡獻伍(1965－),男,碩士,副教授。主持完成省級科研項目二項,著有《礦井測風工》、《礦井通風安全儀器儀表》等多部教材,發表論文多篇。