綜放面褶曲構造瓦斯超限治理技術實踐

袁文清

(山西省陽泉固莊煤礦,山西省陽泉市,045060)

綜放面褶曲構造瓦斯超限治理技術實踐

袁文清

(山西省陽泉固莊煤礦,山西省陽泉市,045060)

針對固莊煤礦15707綜放工作面回采期間遇褶曲帶,又逢周期來壓,上隅角、專用排瓦斯巷、回風巷瓦斯嚴重超限,致工作面停產,采用常規處理方法進行治理收效甚微。分析瓦斯超限的原因確定了兩個治理方案,并比較了優缺點,采取以15707備采巷和專用排瓦斯巷施工抽放鉆孔對上隅角瓦斯進行抽放。隨著工作面的推進,未出現瓦斯超限,順利通過褶曲帶。

褶曲帶 瓦斯超限 備采巷 專用排瓦斯巷 鉆孔抽放

1 工作面概況及瓦斯超限情況

固莊煤礦15707工作面開采15＃煤層,走向長1400 m,傾斜長180 m,采用走向長壁后退式放頂煤綜合機械化采煤法。煤層厚5.18～8.58 m,均厚6.88 m。切眼以東80 m處發育有背斜、向斜,沿走向長度約45 m;向斜位于進風巷38點(巷道掘進過程中的測繪控制點),走向約186°,該構造造成局部煤層傾角大于9°,兩翼落差大于3 m,并伴有煤巖層破碎;背斜位于進回巷35點,走向約180°,兩翼傾角小于10°,總體與向斜平行發育。

15707工作面通風系統為一進兩回,設有專用排瓦斯巷(下面稱尾巷),進風巷風量1400 m3/ min,回風巷風量800 m3/min,尾巷風量600 m3/ min。本煤層進風巷、回風巷均布置有抽放管路。15707工作面從2014年5月1日開始回采,推進度2.4 m/d,6月12日工作面進入向斜一翼,尾巷、上隅角、回風巷超限,尾巷瓦斯濃度最高達到3%,上隅角瓦斯濃度最高達到6%,回風巷瓦斯濃度最高達到1.8%。采取掛風幛,加大風量等方法治理瓦斯濃度超限,但收效甚微,停產2 d,待瓦斯緩慢稀釋排出后,恢復生產。恢復生產后傳感器報警頻繁,斷斷續續影響生產,直至6月20日基本頂周期來壓,尾巷、上隅角、回風巷瓦斯嚴重超限,不得不停產,此次采取脈動通風法、縱向風幛法、高位巷抽放法以及間歇式生產法等,治理效果不大,只能再次研究徹底解決的辦法。6月15日—20日尾巷、上隅角、回風巷瓦斯報警次數如圖1所示。

圖1 瓦斯報警次數統計圖

2 瓦斯超限原因分析

2.1 褶曲構造影響

由于15＃煤層向斜和背斜交替發育區域屬典型的瓦斯圈閉構造,工作面推進86 m后逐漸進入構造的一翼,煤層節理發育豐富,孔隙多,煤質疏松,給瓦斯解吸發散創造了條件。15＃煤層本身就富含游離態瓦斯,又經采動影響,吸附態瓦斯迅速轉變為游離態,經割煤、落煤、運煤環節匯集至回風系統。

2.2 采空區瓦斯涌出

隨著15707工作面開采至工作面周期來壓,采空區空間在不斷地加大,割煤和放頂煤的遺煤也在不斷增多,同時釋放的瓦斯也在不斷地增加。由于瓦斯的比重小于空氣比重,同時,在漏風風流的作用下,瓦斯會向冒落帶和裂隙帶流動,在采空區上覆巖層橫三區、豎三帶的運動作用下,將采空區瓦斯壓入工作面,進入回風系統。

2.3 下隅角漏風

下隅角漏風問題是回采工作面直角布置無法避免的問題。漏風帶在后部輸送機機頭支架尾梁處。少部分風流直接進入采空區,大部分風流沿后部輸送機運行,將采空區瓦斯帶至上隅角,然后在上隅角形成渦流,經擾動后緩慢進入回風系統。

3 治理方案確定

通過對瓦斯超限原因分析、現場感知和比較歷史數據,15707工作面瓦斯超限的主要原因為褶曲構造本身瓦斯含量大,加上周期來壓影響所致。而15＃煤層抽放鉆孔統一水平布孔,不帶仰角,未考慮褶曲區的瓦斯賦存方位,導致本煤層抽放系統滿負壓運行,不能解決超限問題。在應用常規瓦斯超限治理方法失敗后,只能從臨時加強抽放的角度去考慮,依據綜放面瓦斯集中于尾巷和上隅角的常識,把抽放的重點放在對尾巷和上隅角的抽放上,遵循安全、經濟、快速、預期效果好的原則確定治理方案。

方案一:在尾巷頂板直接鋪設網孔管路至尾巷末端,對采空區及尾巷瓦斯進行抽放,同時備采巷施工鉆孔對上隅角瓦斯進行抽放。

方案二:在尾巷和備采巷施工鉆孔,同時對上隅角進行抽放。

兩方案進行比較,單從抽放角度考慮,在瓦斯集中的兩巷同時抽放,能夠快速降低瓦斯濃度,方案一優于方案二。但是方案一施工難度大,僅在尾巷頂板施工吊掛管路一項就費時費力,長時間在瓦斯超限的尾巷作業于安全不利;再就是管路的回收難度大,分段提前回收,降低了抽放效果,不回收則造成材料浪費;從負壓抽放的空間來說,尾巷空間大,瓦斯濃度低于上隅角,也不利于集中抽放。而方案二的施工難度和施工量相對低,瓦斯在上隅角的流動速度緩慢,滯留時間長,可以形象比喻為小瓦斯庫,易于集中抽放;抽放管路可分段回收。在瓦斯涌出總量波動不明顯的情況下,其缺點是相對于方案一預期抽放時間長。

兩個方案比較后,決定采用方案二,利用備采巷、尾巷施工抽放鉆孔,鋪設抽放管路,同時對上隅角進行抽放,徹底解決15707工作面瓦斯超限問題。

3.1 快速抽放施工的可行性

(1)固莊煤礦有完善的直接抽至地面瓦斯罐貯存利用的抽放系統,尾巷和備采巷所在七采區抽放總管設在七采區總回風巷,由于掘進過程中,每條巷道均有獨立的專用回風巷與采區總回風相通,故支管與總管能快速連接。

(2)尾巷和備采巷的寬度、高度、長度適合多臺ZDY－1250型液壓坑道鉆機平行作業。

(3)尾巷和備采巷與15707回風巷距離近,鉆孔施工速度快,偏差小。

3.2 兩巷位置及參數

尾巷布置在煤層頂板中,水平投影與回風巷中至中10 m,沿走向貫穿于整個工作面,巷道為矩形斷面,寬3.4 m,高2.2 m;備采巷位于15707回風巷北,兩巷中至中30 m,中間為保護煤柱,此巷于2014年4月掘進完畢,巷道為矩形斷面,寬4.3 m,高2.6 m。

4 抽放施工及參數

4.1 終孔位置的確定

終孔位置的確定關系到抽放的效果,是上隅角瓦斯抽放的關鍵。

(1)用單元法測定上隅角瓦斯濃度區為支架切頂線附近,沿走向長約5 m,沿傾向寬約3 m,高度約1 m,所以鉆孔終孔位置設置在此區域。

(2)回風巷采取錨桿、錨索、鋼帶聯合支護,由于過構造不退錨,端頭不放頂煤等原因,切頂線后方煤層冒落高度僅約1 m,此范圍屬測定的高濃度瓦斯區,尾巷鉆孔終孔位置設在此區域內,終孔位置垂直高度距回風巷底板3.6 m,水平距離距回風巷北幫0.9 m,如圖2所示。

圖2 鉆孔施工圖

(3)考慮備采巷和尾巷終孔位置不集中于一點,為達到更好地抽放效果,確定備采巷終孔與尾巷終孔水平交錯1.2 m,設于回風巷北幫,垂直高度2.6 m,如圖2所示。

4.2 鉆孔施工參數

(1)尾巷鉆孔施工。在尾巷北幫距底板1 m處開孔,施工20組鉆孔,第一組距工作面煤壁5 m處,組距2.4 m,每組施工3個水平平行鉆孔,鉆孔參數見表1。

(2)備采巷鉆孔施工。在備采巷南幫距底板1 m處開孔,施工20組鉆孔,組距2.4 m,每組施工3個平行鉆孔,鉆孔參數見表1。

表1中傾角以備采巷和尾巷水平高差近似為零取值,而實際施工過程中,須以兩巷實際底板標高為準,準確計算出傾角,以保證終孔位置不出現偏差。

表1 鉆孔參數表

4.3 施工要求

(1)備采巷配備3臺鉆機,三班連續平行作業;尾巷配備4臺鉆機,三班連續平行作業,所有施工人員攜帶便攜式瓦斯檢測儀,并有瓦斯員跟班循環檢測。

(2)兩巷鋪設?200 mm的聚乙烯管,每兩組鉆孔安設一個截止閥,每組鉆孔處留三通用軟管與孔口管相連,封口管采用?108 mm、長2 m鐵管,纏麻袋片后用聚胺脂發泡劑封嚴封實。

(3)尾巷鉆機油泵置于15707回風巷新鮮風流處,油泵近距離控制操作。

(4)工作面每推進2.4 m(2個正規循環),關閉尾巷和備采巷前一截止閥。

(5)備采巷截止閥關閉后,及時將兩組鉆孔用水泥砂漿封堵。

5 治理效果

工作面從6月20日停產,開始在兩巷施工抽放鉆孔,鋪設管路,6月24日抽放系統完善,開始連續抽放。現場觀察測定數據12 d,并由實測數據繪制瓦斯濃度變化,見圖3。由圖3可以看出, 6月24－27日尾巷、回風巷瓦斯濃度迅速下降,之后尾巷在2%左右徘徊,回風巷在0.5%左右徘徊,抽放效果顯著。說明初期兩巷的瓦斯濃度高是周期來壓所致,6月27日后周期來壓基本結束,瓦斯的涌出和抽放和風排達到了新的平衡。瓦斯抽放濃度情況見圖4。從圖4可以看出,備采巷和尾巷的抽放濃度初期達到了7.8%和6.5%,6月27日后同樣趨于平穩。

圖3 瓦斯風排濃度

圖4 瓦斯抽放濃度

從6月27日生產恢復至7月6日以加權平均計算:尾巷瓦斯濃度為2%,排出瓦斯量12 m3/ min;回風巷為0.5%,排出量4 m3/min;尾巷抽放管流量100 m3/min,瓦斯濃度為5%,抽出瓦斯量為5 m3/min;備采巷抽放管流量120 m3/ min,瓦斯濃度為6.5%,抽出瓦斯量為7.8 m3/ min,尾巷和備采巷抽放總量為12.8 m3/min,占瓦斯涌出總量的44.5%,抽放率達到44.5%。隨著工作面的推進,抽出和風排基本穩定,直至褶曲帶結束。

6 結語

(1)在綜放工作面遇地質構造如斷層、無炭柱、褶曲,礦井和工作面均有完善的抽放系統,但工作面瓦斯仍頻繁超限時,利用尾巷和備采巷抽放可以作為緊急治理技術使用。

(2)對于高瓦斯煤層,采掘銜接合理,利用備采巷抽放可以示范推廣。

(3)尾巷應在回采前完善抽放管路,作為先抽后采的目標巷道之一。

(4)盡管瓦斯地質預測技術不盡如人意,但最佳的辦法仍舊是提前勘探,提前設計抽放鉆孔,提前對地質構造帶預抽,使瓦斯含量大幅下降,為回采奠定基礎。

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(責任編輯 張艷華)

The practice of managing gas overrun resulted from the fold structure in fully mechanized top coal caving face

Yuan Wenqing
(Shanxi Yangquan Guzhuang Coal Mine,Yangquan,Shanxi 045060,China)

The normal method had a poor effect on managing gas overrun in the return corner,the special gas drainage gateway and the return roadway,resulting in the suspension of work face,when the 15707 top coal caving face encountered the fold structure and the periodic weighting in Guzhuang Coal Mine.The two managing schemes were proposed by analyzing the causes of gas overrun.By comparing the advantages and disadvantages of the two schemes,the gas drainage in the return corner was implemented by drilling holes in the 15707 intake and the special gas drainage roadway.With the advancing of working face,the gas overrun in the return corner had not happened and the working face had smoothly passed the fold structure zone.

fold structure zone,gas overrun,preparation mining roadway,special gas drainage roadway,drilling-hole gas drainage

TD712.6

A

袁文清(1970－),男,山西盂縣人,采礦工程師,注冊安全工程師,現在山西省陽泉固莊煤礦救護隊從事礦山應急救援管理工作。