蔣家河煤礦ZF202工作面瓦斯綜合抽采技術(shù)

索永錄 劉 超 雷雨龍 杜 興 王 帥 劉穎凱

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西省西安市，710054)

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蔣家河煤礦ZF202工作面瓦斯綜合抽采技術(shù)

索永錄1,2劉 超1雷雨龍1杜 興1王 帥1劉穎凱1

(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054；2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西省西安市，710054)

針對ZF202工作面瓦斯涌出特征，采前采用順層鉆孔進(jìn)行本煤層瓦斯預(yù)抽，回采期間采用內(nèi)錯頂板巷抽采卸壓區(qū)瓦斯、上隅角抽采采空區(qū)瓦斯等瓦斯綜合治理措施。抽采效果檢驗表明，采前預(yù)抽使煤層瓦斯含量從原始含量8.32～8.52 m3/t降為2.527～3.753 m3/t，在回采期間，上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在為0.31%～0.48%之間，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.13%～0.24%，瓦斯防治效果明顯。

瓦斯抽采 采前預(yù)抽 順層鉆孔 上隅角抽采 瓦斯?jié)舛?/p>

蔣家河煤礦為高瓦斯礦井，主采4#煤層，賦存穩(wěn)定。煤系地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，全井田分布、結(jié)構(gòu)單一，平均厚度為10 m。煤層抗壓強度為21.91～27.22 MPa。煤層開采過程中，由于受采動影響，打破了煤與瓦斯系統(tǒng)原有的平衡，瓦斯解吸致使煤體內(nèi)部氣壓升高，工作面瓦斯涌出量變大，影響煤礦安全生產(chǎn)，因此有必要進(jìn)行合理的工作面瓦斯抽采。煤礦瓦斯抽采方法可分為地面永久抽采和井下移動抽采兩種，抽采可分為采前抽采、采中抽采和采后抽采3種，包含本煤層抽采、鄰近層抽采和采空區(qū)抽采等。本文根據(jù)蔣家河煤礦ZF202工作面瓦斯涌出特征，研究相應(yīng)的抽采方案，并對抽采效果進(jìn)行檢測，從根本上消除瓦斯事故隱患。研究結(jié)果對于同類礦井綜采工作面瓦斯抽采設(shè)計有一定的借鑒意義。

1 ZF202工作面概況

ZF202工作面是二采區(qū)第2個回采工作面。地面高程為+983～+1151 m，工作面底板高程為+560～+640 m，埋深343～591 m，煤層傾角4°～7°。工作面采用綜采放頂煤工藝，采3 m、放7 m，冒落法管理煤層頂板。進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷長度為1230 m，切眼長度為151 m，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷設(shè)計斷面10.2 m2，采用錨網(wǎng)支護(hù)，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、切眼均沿4#煤層底板布置。根據(jù)地勘資料和實測，該區(qū)域煤層瓦斯含量較大，根據(jù)測定結(jié)果，工作面煤層瓦斯含量為8.32～8.52 m3/t。

2 ZF202工作面瓦斯抽采方法

分析蔣家河煤礦煤層地勘資料和礦井生產(chǎn)實踐，該區(qū)域煤層原始瓦斯含量較高，僅靠通風(fēng)難以解決瓦斯超限問題。根據(jù)煤層賦存條件、瓦斯涌出構(gòu)成和巷道布置形式，工作面采用以本煤層預(yù)抽和邊采邊抽為主，鄰近層、采空區(qū)抽采為輔的瓦斯抽采方式。

礦井建立有地面永久瓦斯抽采系統(tǒng)及井下移動瓦斯抽采系統(tǒng)。井下移動瓦斯抽采泵站布置在軌道下山與回風(fēng)下山之間的聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，主要負(fù)責(zé)ZF202工作面上隅角瓦斯抽采。地面高負(fù)壓瓦斯抽采泵站主要負(fù)責(zé)ZF202工作面本煤層瓦斯預(yù)抽，地面低負(fù)壓抽采泵站主要負(fù)責(zé)對正在回采的ZF202工作面采空區(qū)進(jìn)行抽采。

2.1 本煤層預(yù)抽方案

距離ZF202工作面開切眼200 m處，在回風(fēng)巷道端的一側(cè)，向開切眼方向每隔6 m施工上下兩排平行鉆孔,第一排開孔高度1.2 m，第二排開孔高度1.7 m，鉆孔平均長度為100 m，鉆孔左右間隔0.8 m；在運輸巷道端的一側(cè)，向開切眼方向每隔6 m施工上下兩排平行鉆孔，鉆孔平均長度為80 m。在運輸巷道和回風(fēng)巷道距切眼200 m以外的的區(qū)域，采用半扇形鉆場施工鉆孔對ZF202工作面瓦斯進(jìn)行抽采，鉆場間距60 m，兩巷道施工的鉆場總數(shù)是34個，每個鉆場包括16個鉆孔，鉆孔平均長度85 m。ZF202工作面抽采鉆孔布置見圖1。鉆孔采用聚氨酯封孔，封孔深度14 m，封孔管為直徑75 mm的PVC管。工作面回采時回風(fēng)巷及運輸巷需要超前支護(hù)30 m，為了不影響生產(chǎn)，需提前拆除管路，所以，在靠近工作面切眼30 m內(nèi)的鉆孔用軟膠管與抽采管相連，抽采管末端特制一段2～3 m長的短管，短管上做幾個變徑三通，與靠近工作面的鉆孔用軟管相連，鉆孔報廢后再向前移動短管，保持短管始終在抽采管路的末端，以保證工作面的預(yù)抽鉆孔可以抽取大量的卸壓瓦斯，使本煤層預(yù)抽取得較好的抽采效果。抽采管路負(fù)壓為20 kPa，工作面預(yù)抽從2015年4月開始抽采，至2015年10月結(jié)束，預(yù)抽180 d。

圖1 ZF202工作面鉆場布置示意圖

2.2 上隅角抽采方案

在ZF202工作面瓦斯抽采中，為了提高回風(fēng)巷道上隅角的瓦斯抽采和治理效果，依據(jù)蔣家河煤礦現(xiàn)有的礦井條件，采取了骨架風(fēng)筒的方式，將風(fēng)筒插入上隅角，使該區(qū)域形成一個負(fù)壓區(qū)，避免工作面上隅角局部位置因風(fēng)流不暢引起瓦斯超限。為保證風(fēng)筒吸入口處于上隅角的上部，將風(fēng)筒與木棒綁在一起，用鐵絲吊掛在支架上；為提高抽采濃度和抽采效果，上隅角處應(yīng)采用擋風(fēng)簾。骨架風(fēng)筒布置方案見圖2。

圖2 上隅角骨架風(fēng)筒布置方案示意圖

2.3 內(nèi)錯頂板巷抽采采空區(qū)瓦斯

在ZF202工作面施工內(nèi)錯頂板巷，對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。根據(jù)ZF202工作面情況，內(nèi)錯頂板巷位于內(nèi)錯回風(fēng)巷道15～20 m。從回風(fēng)巷道停采線處開始，使用全斷面綜合掘進(jìn)機以10°傾角掘進(jìn)傾斜起坡，到達(dá)距離煤層頂板5 m的位置后，再沿水平方向前進(jìn)。巷道內(nèi)采用錨網(wǎng)鎖等不燃性的材料支護(hù)，進(jìn)行全斷面噴漿。巷道的具體布置見圖3。在采空區(qū)距離回風(fēng)巷道5 m左右處開始建造密閉墻，厚度約為1 m，內(nèi)部采用黃泥充填，整個密閉墻封閉長度為6 m。采用800 mm內(nèi)徑的抽采管預(yù)先安裝在密閉墻內(nèi)側(cè)4 m處，距離內(nèi)錯頂板巷底板1.5 m左右處。灌漿管內(nèi)徑為100 mm，距離內(nèi)錯頂板巷底板1.5 m左右。觀察管內(nèi)徑50 mm，距離煤層頂板0.2 m處。

圖3 內(nèi)錯頂板巷布置圖

3 預(yù)抽煤層瓦斯量計算

由ZF202工作面的煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)可知， 4#煤層百米鉆孔瓦斯涌出量為0.067～0.0684 m3/(min·hm)，平均為0.0677 m3/(min·hm)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α為0.015～0.019 d-1，平均為 0.017 d-1。

對于煤層瓦斯鉆孔來說，其自然涌出特征有兩個指標(biāo)，分別是鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α和鉆孔初始瓦斯涌出強度q0，q0與α值的關(guān)系如式(1)所示：

qt=q0e-αt

(1)

式中：qt——瓦斯自然排放狀態(tài)下，在t時刻時鉆孔的瓦斯涌出量，m3/min；

q0——瓦斯自然排放狀態(tài)下，在t=0時刻瓦斯涌出量，m3/min；

α——鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)，d-1；

t——鉆孔自排瓦斯時間，d。

單孔瓦斯抽采總量如式(2)所示：

(2)

式中：Qt——單孔瓦斯抽采總量，m3。

由式(2)計算得出，當(dāng)煤層內(nèi)瓦斯的預(yù)抽時間為180 d時，單孔抽采瓦斯總量是5465.71 m3。

4 瓦斯治理效果檢測

(1)ZF202工作面共計施工鉆孔695個，設(shè)計鉆孔674個，補孔21個，總進(jìn)尺57940 m；預(yù)抽鉆孔按設(shè)計施工到位，分布均勻，鉆孔間距6 m，對于塌孔已進(jìn)行及時補孔，符合設(shè)計要求，基本無抽采盲區(qū)。抽采過程中測得管道的CH4濃度、抽采負(fù)壓、瓦斯流量變化范圍如圖4、圖5、圖6所示，CH4濃度平均為1.7%，抽采負(fù)壓平均為20 kPa，瓦斯流量平均為40.3 m3/min。

通過計算可知，當(dāng)煤層內(nèi)瓦斯預(yù)抽時間為180 d時，抽采瓦斯總量為3798668.45 m3。對瓦斯抽采量進(jìn)行統(tǒng)計，截至2015年10月底，回風(fēng)巷瓦斯抽采總量為3534721.57 m3，與理論計算值基本相符。

(2)工作面在實施了順層鉆孔瓦斯預(yù)抽、上隅角抽采、內(nèi)錯頂板巷抽采之后，本煤層瓦斯含量降為2.527～3.753 m3/t。

圖4 抽采管道內(nèi)不同時刻的CH4濃度變化

圖5 抽采管道內(nèi)不同時刻的負(fù)壓變化

圖6 抽采管道內(nèi)不同時刻的瓦斯流量變化

(3)在回采期間，上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.31%～0.48%之間，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.13%～0.24%，現(xiàn)已安全回采322 m，并未出現(xiàn)上隅角、回風(fēng)巷瓦斯超限等不安全現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)采前采用順層鉆孔進(jìn)行本煤層瓦斯預(yù)抽，回采期間采用內(nèi)錯頂板巷抽采卸壓區(qū)瓦斯、上隅角抽采采空區(qū)瓦斯等瓦斯綜合治理措施，效果明顯，確保了礦井安全生產(chǎn)。

(2)抽采過程中預(yù)抽管道CH4烷濃度平均為1.7%，抽采負(fù)壓平均為20 kPa，瓦斯流量平均為40.3 m3/min，截至2015年10月底，回風(fēng)巷瓦斯抽采總量為3534721.57 m3，抽采效果理想。

(3)采前預(yù)抽使瓦斯含量從原始含量8.32～8.52 m3/t降為2.527～3.753 m3/t。在回采期間，上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.31%～0.48%之間，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.13%～0.24%，瓦斯治理效果明顯。

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Comprehensive gas drainage techniques of ZF202 work face in Jiangjiahe Mine

Suo Yonglu1,2, Liu Chao1, Lei Yulong1, Du Xing1, Wang Shuai1, Liu Yingkai1

(1.School of Energy Engineering, Xi'an University of Science and Technology， Xi'an, Shaanxi 710054， China;(2.Key Laboratory of Western Mine and Hazard Prevention, Ministry of Education, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

Aiming at the characteristics of gas emission in ZF202 work face in Jiangjiahe Mine, the bedding boring drilling of pre-mining seam was designed for gas pre-drainage of coal seams. Comprehensive control measures for gas drainage and pressure relief area in the internal staggered roof roadway and gas extraction from boreholes in the gob at upper corner were adopted during mining production. Extraction analysis results showed that the gas content of pre-mining drainage decreased from the original content of 8.32～8.52 m3/t to 2.527～3.753 m3/t. The gas content in upper corner was stably 0.31%～0.48%, the gas concentration distribution in roadway was 0.13%～0.24%, and the effect of gas control was obvious.

gas extraction, pre-mining drainage, bedding boring, drainage in upper corner, gas concentration

國家自然科學(xué)基金項目(51474173，51204133)

索永錄，劉超，雷雨龍等. 蔣家河煤礦ZF202工作面瓦斯綜合抽采技術(shù)[J].中國煤炭，2017,43(7)：143-146. Suo Yonglu, Liu Chao, Lei Yulong, et al. Comprehensive gas drainage techniques of ZF202 work face in Jiangjiahe Mine [J]. China Coal, 2017，43(7):143-146.

TD712.6

A

索永錄(1960-)，男，陜西寶雞人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事綜采放頂煤和系統(tǒng)工程等研究工作。