河津騰暉煤業(yè)2-105綜放工作面瓦斯綜合抽采技術

高新平

(霍州煤電集團晉南煤業(yè)有限公司)

新版《煤礦安全規(guī)程》施行后，不再允許設置專用排瓦斯巷(內(nèi)錯或外錯尾巷)[1-2]。河津騰暉煤業(yè)作為高瓦斯礦井，由于采用放頂煤回采工藝，工作面生產(chǎn)強度大，煤層瓦斯含量高，在瓦斯抽采方面單獨采用U型通風方式，導致回采過程中上隅角瓦斯治理困難。對此，本研究以該礦2-105綜放工作面為例，通過綜合采用本煤層瓦斯預抽、高位裂隙孔抽采以及“以孔代巷”瓦斯抽采技術方法[3-6]，解決工作面以往采用U+L通風方式時所面臨的橫貫啟封、密閉等技術與操作難題，以便大幅度降低工作面采空區(qū)瓦斯在上隅角積聚。

1 礦井概況

河津騰暉煤業(yè)為生產(chǎn)礦井，位于山西省臨汾市鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)店溝村西，井田面積為6.527 5 km2，可采煤層為2#、10#煤層。其中，2#煤層地質(zhì)儲量3 127萬t、可采儲量1 243萬t；10#煤層地質(zhì)儲量3 312萬t、可采儲量1 627萬t。該礦井設計生產(chǎn)能力為120萬t/a，服務年限17.1 a。礦井瓦斯最大絕對涌出量為38.86 m3/min，CO2最大絕對涌出量為5.82 m3/min，為高瓦斯礦井。目前，礦井含有主斜井、副立井、回風立井及管道立井4個井筒，井下全部實行機械化操作，主運輸系統(tǒng)采取膠帶運輸，輔助運輸為無極繩絞車運輸。礦井通風方式為混合式，通風方法為機械抽出式，通風系統(tǒng)為“三進一回”，主斜井、副立井、管線井進風，回風立井回風。礦井安裝了2臺FBCDZ-8-№27/2×450型對旋軸流式風機，1用1備，擔負礦井回風任務。目前，礦井總進風量為9 463 m3/min，總回風量為9 566 m3/min，其中，主斜井進風量1 897 m3/min，副立井進風量6 716 m3/min，管線井進風量850 m3/min，有效風量9 322 m3/min，有效風量率約98.5%，礦井負壓為2 020 kPa。

礦井地面瓦斯抽放系統(tǒng)于2012年1月19日投入運行，為地面固定瓦斯抽采系統(tǒng)，安裝了4臺2BEC-72型水環(huán)真空泵，單機功率為560 kW，泵絕對壓力為60 kPa，泵額定抽氣量為460 m3/min。抽采主管路采用φ630 mm無縫鋼管分高、低壓2趟敷設，從地面通過2個管道井入井，共敷設管路長達3 700 m，實現(xiàn)高、低負壓分源抽采。支管路104工作面本煤層抽采、104上隅角埋管抽放、一采區(qū)回風巷預抽、2-105本煤層預抽、二采區(qū)區(qū)域預抽均鋪設φ325 mm 螺紋鋼管，共計1 260 m。

礦井2#煤層原煤平均瓦斯含量為9.15 m3/t，10#煤層原煤平均瓦斯含量為7.69 m3/t，2#、10#煤層殘存瓦斯含量均為1.37 m3/t，2#煤層百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)約0.005 2 d-1，為可抽采煤層。該煤層煤質(zhì)為貧瘦煤，揮發(fā)分為18.24%，為Ⅱ類自燃發(fā)火煤層，同時具有爆炸危險性。2-105綜放工作面煤層瓦斯含量為5.7～12.67 m3/t，平均8.91 m3/t，可解吸瓦斯量為7.866 m3/t，不可解吸量為 2.18 m3/t。煤層透氣性系數(shù)為7.00 m2/(MPa·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.005 2 d-1，屬于可抽放煤層，工作面圈定范圍內(nèi)煤層瓦斯總儲量為533.2萬m3。2-105綜放工作面采用走向長壁采煤法生產(chǎn)，開采工藝采用綜采放頂煤，頂板管理采用全部垮落法。綜采設備采用1部雙滾筒采煤機，采煤高度為3.2 m，放頂煤高度為2.2 m。工作面設計采用U型通風方式。

該礦井作為高瓦斯礦井，近年來，先后采用了U+U、U+L型等通風方式，均不同程度上需要施工專用排瓦斯巷，礦井成本加大，安全風險較大。且新版《煤礦安全規(guī)程》施行后，不再允許設置專用排瓦斯巷(內(nèi)錯或外錯尾巷)，加之該礦2-105綜放工作面位于采區(qū)邊界，相鄰工作面回采基本完畢，采空區(qū)瓦斯較高，礦井采掘銜接緊張，瓦斯預抽時間較短。為此，本研究通過綜合采用本煤層瓦斯預抽、高位裂隙孔抽采以及“以孔代巷”抽采技術對該工作面瓦斯進行抽采。

2 工作面瓦斯綜合抽采方案

通過分析2-105綜放工作面的瓦斯來源，本研究設計了綜合抽采方法，即：回采工作面開采層采用本煤層鉆孔抽采；上鄰近層瓦斯采用高位裂隙孔抽采；采空區(qū)及相鄰采空區(qū)施工直徑為550 mm的大直徑鉆孔進行滯后抽采，替代以往用的尾巷橫貫聯(lián)通方式實現(xiàn)風排采空區(qū)瓦斯的抽采方法。由于采空區(qū)與2-105綜放工作面通風網(wǎng)絡相連通，在通風壓差作用下采空區(qū)瓦斯涌入工作面并經(jīng)由回風流排出，當采空區(qū)積存和涌出的瓦斯量較大時，可能使得工作面上隅角或回風流瓦斯處于超限狀態(tài)，特別是當頂板冒落時引起采空區(qū)瓦斯突然大量涌出，對生產(chǎn)構成很大威脅。為確保回采過程中安全生產(chǎn)和上隅角瓦斯不超限，本研究采用高位裂隙鉆孔法以及大直徑鉆孔抽采工作面采空區(qū)瓦斯。

本研究瓦斯抽采系統(tǒng)在大巷采用φ630 mm×10 mm無縫鋼管，在回風順槽內(nèi)本煤層鉆孔抽采支管一趟采用φ325 mm×2 mm螺紋鋼管，實現(xiàn)高負壓抽采；在措施巷內(nèi)高低位裂隙鉆孔抽采支管路一趟采用φ325 mm×2 mm螺紋鋼管，實現(xiàn)高負壓抽采；在措施巷內(nèi)再采用一趟φ325 mm×2 mm螺紋鋼管抽采大直徑鉆孔，實現(xiàn)低負壓抽采。抽采系統(tǒng)選用2BEC72型水環(huán)式真空泵4臺(2運2備)，抽采泵的相關技術參數(shù)見表1。

表1 2BEC72型水環(huán)式真空泵性能參數(shù)

3 方案實施

3.1 大直徑鉆機施工參數(shù)

大直徑鉆孔施工地點為2-1053巷，向2-1052巷施工大直徑鉆孔，每隔25 m布置1組鉆孔，每組2個鉆孔，根據(jù)巷道長度，共施工了12個鉆孔，鉆孔參數(shù)見表2。具體開孔高度及仰角可以根據(jù)現(xiàn)場實際環(huán)境進行調(diào)節(jié)，在2-1053巷施工時，仰角可設計為-5°。大直徑鉆孔施工要求如圖1所示。

表2 大直徑鉆孔施工參數(shù)

圖1 大直徑鉆孔布置示意

3.2 鉆孔護管參數(shù)及施工方法

護管采用螺旋焊縫鋼管，具體參數(shù)見表3。護管加工裝配方式見圖2。

表3 護管參數(shù)

圖2 護管加工示意

鉆孔施工到位后，退鉆，卸下鉆頭后利用鉆機推力將護管頂入鉆孔內(nèi)，具體操作方法為[7]：①將護管運至2-1053巷道大直徑鉆孔鉆透地點，退鉆后將首節(jié)護管安裝護管尖頭(圖3)，利用鉆機吊裝設備將首節(jié)護管水平吊運至鉆孔內(nèi)，貼近鉆桿位置并調(diào)整護管平整度；②無關人員退至安全距離后，安裝第1根護管，利用鉆機推力將護管頂入鉆孔，待護管推入指定位置后(切勿將護管連接頭推入鉆孔)，退鉆，連接下一根護管，依次循環(huán)，直至護管安裝完畢(護管連接為插接式，利用螺栓固定)，護管安裝完畢后，將護管尖頭卸下，進行封孔，最后將護管與抽放管路進行連接，護管安裝如圖4所示。

圖3 尖頭加工示意

圖4 護管安裝示意

3.3 抽采管路連接

2-1503巷道內(nèi)安裝有2趟φ325 mm抽放管路及抽放閥門，利用變徑與φ426 mm護管(中間連接可根據(jù)現(xiàn)場實際情況加工不同長度的鋼管短截(φ325 mm)、軟管進行連接)進行連接，并入抽放系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場實際情況在2-1503巷增加彎頭及短節(jié)，距離頂板約1.5 m。具體連接方式見圖5。

圖5 護管連接方式

4 抽采效果

工作面瓦斯抽采率是指工作面瓦斯抽采量占工作面瓦斯總涌出量的百分比[8-10]，計算公式為

ηm=100qmc/(qmc+qmf) ，

式中，ηm為工作面瓦斯抽采率，%；qmc為工作面瓦斯抽采量，m3/min；qmf為工作面風排瓦斯量，m3/min。

回采工作面瓦斯抽采量(qmc)為回采工作面預抽瓦斯量、邊采邊抽瓦斯量與目前工作面采空區(qū)瓦斯抽采量、鄰近層瓦斯抽采量之和。計算可得，ηm=66%，工作面瓦斯抽采率均符合《煤礦瓦斯抽采基本指標》(AQ1026—2006)要求。抽采量預計見表4。

表4 瓦斯抽采量預計結果 m3/min

該礦2-105回采工作面最大風排瓦斯量為24 m3/min。需風排瓦斯量為10.44 m3/min，因此，瓦斯抽采后，回采工作面的通風能力能夠滿足風排瓦斯要求[11-12]。

5 結 語

高效抽采是瓦斯災害治理的根本措施。河津騰暉煤業(yè)2-105工作面由于布置于采區(qū)邊界上，相鄰2-104工作面回采即將結束，采空區(qū)瓦斯含量較高，通過進行瓦斯綜合抽采方案設計，使得2-105工作面與瓦斯抽采巷實現(xiàn)空間隔絕，通過不設置橫貫，采用大孔徑鉆孔代替橫貫埋管抽采，實現(xiàn)了真正意義上的U型通風，減少了巷道施工橫貫的掘進量，在降低費用的同時避免了巷道獨頭掘進的危險。此外，“以孔代巷”抽采技術的應用，可對開采工作面采空區(qū)進行低負壓、大流量抽采，改變工作面采空區(qū)的瓦斯流場，大幅度降低工作面采空區(qū)瓦斯在上隅角積聚，并形成適合礦井開采條件的大直徑抽采采空區(qū)瓦斯治理技術體系，有效解決回采工作面采空區(qū)瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯超限等問題，為礦井安全生產(chǎn)提供技術保障。