特厚煤層工作面采空區瓦斯治理技術研究

郝建峰

(同煤大唐塔山煤礦有限公司)

特厚煤層工作面采空區瓦斯治理技術研究

郝建峰

(同煤大唐塔山煤礦有限公司)

工作面采空區瓦斯治理一直是煤礦安全生產中最為重要工作之一。以塔山礦為研究背景，為有效遏制因地面大氣壓變化而引起的采空區“呼吸”現象所造成的瓦斯超限問題，采用地面鉆孔瓦斯抽放與井下注氮技術相結合的治理方法,經過處理后的采空區瓦斯含量極少，平均為0.4%左右，對工作面回采的影響較弱，從而最大程度地保證了8204工作面的安全生產，同時也為類似的特厚煤層工作面采空區瓦斯治理提供了借鑒。

特厚煤層 采空區 瓦斯治理 地面鉆孔 井下注氮技術

高瓦斯礦井在煤層不能一次完全采出的情況下，采空區積存有大量高濃度瓦斯；在采空區漏風的作用下，瓦斯沿漏回風隅角大量涌入工作面，造成工作面瓦斯嚴重超限。當工作面瓦斯絕對涌出量超過通風稀釋的極限量時，必須采取瓦斯抽采措施。國內學者進行了相關研究，王兆豐等[1]針對成莊煤礦4308綜放工作面采空區瓦斯涌出規律，運用采空區尾巷埋管、頂板走向長鉆孔及地面鉆井等多種抽放措施對采空區瓦斯進行抽放，從而達到治理瓦斯的目的。李宗翔等[2]運用有限元法，提出了采空區瓦斯涌出強度的概念,論證了用瓦斯涌出強度衡量采空區瓦斯涌出的科學意義。王海賓等[3]提出了有效治理采空區有害氣體對小煤柱掘進工作面掘進、回采過程影響的技術體系。本文針對塔山煤礦8206工作面采空區的實際情況，提出采用地面鉆孔瓦斯抽放與井下注氮技術相結合的瓦斯治理方法，以驗證其有效性。

1 工程概況

塔山煤礦位于大同煤田中東部邊緣地帶，口泉河兩側，鵝毛口河以北，七峰山西側，為高瓦斯礦井，透氣性系數較低，屬于較難抽放煤層。8204工作面位于塔山井田東南部、二盤區東北部，東鄰8202采空區，西南為8206采空區，西北部為F13810斷層，東南部為二盤區回風巷。工作面長162 m，走向長1 100 m，主采煤層為3#～5#煤層，總厚11.81～17.76 m，平均厚14.83 m，屬于特厚煤層。8204綜放工作面與8206采空區相鄰，留設的小煤柱寬度僅為6 m。因地面大氣壓變化而引起的采空區“呼吸”現象造成8204工作面回采期間，8206采空區內積聚的瓦斯經小煤柱內部和上覆巖層裂隙進入8204工作面及采空區，引起瓦斯超限。8204工作面與8206工作面采空區位置關系見圖1。因此，在8204工作面未正式開采前，需要對8206采空區積聚的瓦斯進行治理，若只依靠工作面負壓通風不能有效地解決工作面瓦斯涌出問題，必須采取合理有效的瓦斯抽排措施。

2 8206采空區瓦斯治理技術

采用地面鉆孔瓦斯抽放與井下注氮技術相結合的瓦斯治理方法。井下注氮技術可以置換采空區高濃度瓦斯氣體，這樣一方面可以平衡8206采空區與8204巷內的氣壓，消除采空區“呼吸”現象；另一方面也可以利用大量氮氣將采空區高濃度瓦斯逐步置換，使采空區內形成低瓦斯含量的混合氣體，消除采空區內的瓦斯隱患。

2.1 地面鉆孔瓦斯抽放

依據地表實際地質環境和水文條件等情況，綜合考慮采空區上覆巖層“三帶”劃分情況以及O形圈理論，并分析瓦斯在采空區上覆巖層裂隙中的運移特點[3-8]，結合8206工作面回采實際情況和與8204工作面相對位置關系，確定在8206采空區對應地面布置2個垂直瓦斯抽放鉆孔。

考慮8206工作面回采時，在距停采線80 m處進入不放煤區域，則退后約200 m以后均為采空區垮落較好的區域。結合8204工作面走向長度，確定1#、2#鉆孔走向位置距8206工作面停采線約350，500 m，距8204工作面切眼分別為320，170 m，基本上位于8204工作面中部。

圖1 8204工作面與8206工作面采空區相對位置關系

采空區瓦斯在水平方向上多積聚賦存在上覆巖層垮落運動而形成的O型圈內部，只有將鉆孔布置在O型圈范圍內，才能最有效抽放采空區內瓦斯[9-11]。若采空區冒落高度按3倍采高(約50 m)，垮落角按60°計算[12]，則8206采空區內部的O形圈位置約在內錯5206巷40 m處。考慮到8206工作面開采期間“頭三尾四”不放煤的回采工藝，將鉆孔開孔定位在水平方向上內錯5206巷40～70 m處。

采空區瓦斯在豎直方向上多積聚于上覆巖層垮落運動而形成的冒落帶和裂隙帶內，終孔位置需布置在采空區裂隙帶內[13-15]。根據塔山礦其他工作面采空區地面鉆孔抽放結果分析，確定采空區冒落帶高度約50 m，裂隙帶高度為50～200 m，根據鉆孔施工期間氣體及孔內窺視情況，1#、2#鉆孔終孔位置分別在距煤層底板約125和80 m處。地面瓦斯抽放鉆孔示意見圖2。

圖2 地面瓦斯抽放鉆孔布置

2.2 井下注氮技術

采用注氮的方式置換采空區高濃度瓦斯，分別在2206巷密閉、5206巷密閉和5204巷打孔對8206采空區注氮。注氮管路布置見圖3。制氮車間位于二風井制氮機房內，2204巷道內φ159 mm注氮管路與二盤區進風大巷φ273 mm注氮管路對接，在工作面2204巷進風端頭沿采空區埋設2趟φ108 mm鋼絲纏繞管路，采用錯步方式注氮;5204巷仍采用原注氮管路向相鄰采空區注氮。

圖3 采空區注氮管路敷設示意

2.2.1 注氮量確定

(1)按采空區氧化帶氧濃度計算:

(1)

式中,QN為注氮流量，m3/min；Q0為采空區氧化帶內漏風量，取20 m3/min；C1為采空區氧化帶內O2平均濃度，18%～7%，取13%；C2為采空區惰化指標，取7%；CN為注入氮氣濃度，97%；k為備用系數，一般為1.2～1.5，取1.5。

按稀釋采空區氧化帶氧濃度至惰化濃度計算得出QN=45 m3/min(2 700 m3/h)。

(2)按產量計算采空區注氮流量，其實質是向采空區注入一定流量的氮氣，以惰化每天采煤所形成的空間體積，使其氧氣濃度降到惰化指標所需要的注氮流量，按下式計算：

(2)

式中，QN為注氮流量，m3/min；A為年產量，小煤柱工作面年產量為500萬t；t為年工作日，取330 d；ρ為煤的密度，取1.4 t/m3；η1為管路輸氮效率，一般取0.9；η2為采空區注氮效率，取0.55；C1為空氣中的氧含量，取20.9%；C2為采空區惰化指標，規程定為7%；k為備用系數，一般為1.2～1.5，取1.5。

按產量計算采空區注氮流量得出QN=45 m3/min(2 700 m3/h)。

通過上述計算，結合8204綜放面開采條件，將注氮流量確定為45 m3/min(2 700 m3/h)。

2.2.2 注氮管路直徑計算

管路直徑的選擇應滿足以下2個條件：一是在正常時期進行注氮時，管路直徑必須滿足注氮時的最大流量；二是氮氣出口的壓力要求高于注氮區域的壓力，使注氮區域始終處于正壓狀態。

因此，在滿足以上2個條件時，注氮管路的直徑可按下式計算：

(3)

式中,D為管路最小直徑，mm；Qmax為正常時期最大注氮量，m3/s；v為管路內氮氣的平均流速，通常為10～15 m/s，取14 m/s。

經計算，注氮管路最小直徑D=262 mm。

2.2.3 注氮管口壓力計算

根據工作面的長度確定注氮管路的出口壓力不得低于0.35 MPa，否則注氮半徑則達不到160 m。注氮管路的初始壓力計算公式為

(4)

式中,P1為供氮的絕對壓力，MPa；P2為管路末端的絕對壓力，MPa，不得低于0.35 MPa；Qmax為最大輸氮流量，m3/h；D0為基準管直徑，150 mm；Di為實際輸氮直徑，mm；Li為相同直徑管路的長度，km；λ0為基準管直徑的阻力損失系數，0.026；λi為實際輸氮管徑的阻力損失系數。

根據注氮管路系統布置及工作面注氮量，按最遠輸送距離計算注氮管網初端所需絕對壓力P1=0.65 MPa,大于制氮設備輸出壓力，滿足要求。

3 效果分析

3.1 8206采空區井下注氮量

8204工作面回采之前，8206采空區井下注氮變化量曲線見圖4。可知，8206采空區不間斷注氮，注氮量在1 500～4 000 m3/h波動，平均注氮量約2 000 m3/h。與此同時又要保持采空區與8204工作面之間的靜壓平衡，防止瓦斯等氣體流通，所以注氮率不斷進行小范圍調整，以此保證取得良好的瓦斯治理效果。從開始注氮直到8204工作面停采，8206采空區井下共計注氮量約863萬m3，置換出了大量的瓦斯，有效地降低了采空區瓦斯含量；而且大量氮氣注入采空區，也對防火起到了積極的作用。

3.2 地面鉆孔瓦斯抽放量和抽放瓦斯濃度變化

8206采空區地面鉆孔瓦斯抽放量和抽放氣體中瓦斯濃度變化曲線見圖5、圖6。

圖4 8206采空區井下注氮量變化曲線

圖5 8206采空區地面鉆孔瓦斯抽放量變化曲線

圖6 8206采空區地面鉆孔抽放瓦斯濃度變化曲線

由圖5可知，8206采空區通過地面鉆孔抽放初期由于采空區瓦斯含量相對較高，積聚的瓦斯離鉆孔終孔位置較近等原因，使得鉆孔瓦斯抽放量達到4～10 m3/min，但很快降低；在以后的整個抽放過程中瓦斯抽放量較小，平均抽放量約3 m3/min；這說明8206采空區內的瓦斯含量較小，所以單位時間內能夠抽放的瓦斯純量也較小。在這期間地面鉆孔共計抽放8206采空區瓦斯約69.8萬m3，極大地降低了采空區瓦斯含量。

已知8206采空區鉆孔抽放的混合氣體流量不小于75 m3/min，但由圖6可知，在這部分混合氣體中瓦斯濃度較小，僅占5%～13%，說明了采空區中積聚的瓦斯量不大，可以通過抽放措施有效地降低采空區瓦斯濃度，防止向工作面或上隅角積聚。

3.3 8206采空區殘余瓦斯濃度

在進行地面鉆孔抽放瓦斯的同時，利用采空區中的束管監測系統對8206采空區中遺留的瓦斯濃度進行實時監測，通過實測數據分析得到8206采空區瓦斯濃度變化曲線(圖7)。可知，通過采取地面鉆孔抽放結合井下注氮置換采空區高濃度瓦斯措施，使得8206采空區瓦斯濃度降至0.4%左右，相比于5204巷掘進期間8206采空區的平均瓦斯含量16%來說，已經顯著降低，對8204工作面的正常生產影響不大。

圖7 8206采空區殘余瓦斯濃度變化曲線

4 結 語

針對8204綜放工作面相對瓦斯涌出量不大，但煤層厚度較大，開采強度較高，又由于受工作面上覆堅硬巖層的斷裂及頂板來壓情況的影響，絕對瓦斯涌出量較大，涌出異常時會出現瓦斯超限現象，單純依靠工作面負壓通風不能有效地解決工作面瓦斯涌出問題，通過采取采空區地面瓦斯抽放和井下注氮置換相結合的綜合治理措施，顯著降低采空區瓦斯濃度，可以有效保障工作面的安全高效生產，該綜合治理技術具有較好的推廣價值。

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2016-10-08)

郝建峰(1971—)，男，通風區區長，工程師，037003 山西省大同市。