鎮(zhèn)城底礦22618綜采工作面瓦斯綜合治理技術(shù)研究

薛建紅

(陽(yáng)煤集團(tuán) 陽(yáng)泉三礦通風(fēng)部,山西 陽(yáng)泉 045000)

煤礦瓦斯事故頻發(fā),是造成群死群傷的主因,致使人民生命財(cái)產(chǎn)遭受?chē)?yán)重?fù)p失,嚴(yán)重威脅煤礦安全生產(chǎn)與可持續(xù)性發(fā)展[1-2]。因此對(duì)煤礦高瓦斯區(qū)域進(jìn)行合理有效的瓦斯治理顯得尤為重要[3-5]。煤礦必須加強(qiáng)瓦斯治理工作,完善瓦抽采系統(tǒng),而瓦斯抽放是降低煤層瓦斯含量和瓦斯壓力的一個(gè)主要方法,確保高瓦斯低壓力開(kāi)采的開(kāi)采條件,是用來(lái)消除危險(xiǎn)源的一種積極有效的措施,同時(shí),煤與瓦斯共采也是已經(jīng)形成共識(shí)的現(xiàn)代觀念[6-8]。在多層煤的開(kāi)采過(guò)程中,隨著回采工作面的推進(jìn),煤層以及采空區(qū)上覆巖層的原巖應(yīng)力會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化,從而使得礦井壓力重新分布,產(chǎn)生大量的裂隙[9]。鄰近層的瓦斯由于壓力的變化也會(huì)發(fā)生賦存狀態(tài)的改變,由吸附狀態(tài)卸壓,轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)[10-12]。通過(guò)礦壓產(chǎn)生的裂隙向工作面運(yùn)移,為工作面瓦斯的抽采提供了有利的條件。

1 礦井概況

礦井目前開(kāi)采3#、8#煤層,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.5 Mt/a,2008年3月該礦經(jīng)重新核定批復(fù)的生產(chǎn)能力為1.9 Mt/a。井田南北長(zhǎng)約5.6 km,東西寬約5.9 km,井田面積23.839 6 km2。該礦3#煤層與8#煤層煤塵均具有爆炸性,3#煤層爆炸指數(shù)24.80%、8#煤層爆炸指數(shù)23.78%;3#煤與8#煤均屬Ⅱ類(lèi)自燃煤層。

2 煤層上、下覆巖層采動(dòng)裂隙分布規(guī)律

2.1 22618工作面概況

22618工作面煤層上距1#煤1.74 m左右,距K4砂巖11.2 m左右，下距K3砂巖5.54 m左右，是本井田的主要可采煤層。煤層厚度2.70 m～3.85 m,平均3.4 m。全區(qū)可采,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含1層夾石,厚0.52 m。煤層頂板為細(xì)粒砂巖,底板為細(xì)砂巖。巷道為矩形斷面,兩順槽均沿3#煤層頂板掘進(jìn),順槽寬為4 500 mm,高為3 000 mm,水平標(biāo)高在721 m～800 m之間。工作面采用綜合機(jī)械化走向長(zhǎng)壁后退式采煤工藝,工作面一次性采全高,全部垮落法管理頂板。

2.2 采動(dòng)裂隙“豎三帶”發(fā)育高度

3#煤層上覆巖石大部分屬于堅(jiān)硬巖石,抗壓強(qiáng)度在40 MPa以上。堅(jiān)硬覆巖的冒落帶發(fā)育高度為:

(1)

裂隙帶最大發(fā)育高度:

(2)

(3)

式(1)(2)(3)中：M為煤層最大采高,取3.4 m。

通過(guò)計(jì)算可知,冒落帶最高發(fā)育至上部頂板K4巖,裂隙帶最高發(fā)育至上部頂板細(xì)砂巖。

2.3 下覆巖層分析

通過(guò)對(duì)3#煤層工作面回采期間下覆巖層變化進(jìn)行總結(jié)分析,在工作面前方10 m～15 m和工作面后方35 m范圍之內(nèi),煤巖體發(fā)生膨脹變形,孕育大量裂隙。同時(shí)由于在這個(gè)范圍內(nèi),煤巖體的應(yīng)力經(jīng)歷了從高集中應(yīng)力狀態(tài)降低為最低狀態(tài)的突變,有利于裂隙形成。在工作面后方35 m以外這段區(qū)域內(nèi),煤巖體應(yīng)力小幅升高,處于壓縮變形階段。在這個(gè)階段一般不會(huì)產(chǎn)生新的裂隙,原有的裂隙也將進(jìn)一步收縮閉合,瓦斯流動(dòng)困難,進(jìn)行瓦斯抽采也比較困難。但是距離煤巖體較近處受到的壓縮變形比較明顯,而隨著遠(yuǎn)離煤層,其受到的影響逐漸減小。在工作面前方40 m以前,基本上為原始應(yīng)力狀態(tài),煤巖體受到采煤的影響較小。

3 瓦斯治理技術(shù)方案與抽采效果分析

3.1 瓦斯來(lái)源分析

煤層開(kāi)采前,原煤、原巖與瓦斯空氣混合體組成的系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),受開(kāi)采過(guò)程的影響,煤層與圍巖中的瓦斯壓力平衡狀態(tài)被破壞,使瓦斯壓力重新分布,煤層透氣性增強(qiáng),形成卸壓帶。采空區(qū)內(nèi)部瓦斯涌出的能量來(lái)源于濃度差(壓差),此外在采空區(qū)靠近采煤工作面的空間內(nèi),由于存在著漏風(fēng),在采空區(qū)內(nèi)形成通風(fēng)負(fù)壓。瓦斯涌出源的多少及各自涌出瓦斯量的大小直接影響著工作面的瓦斯涌出量。如圖1所示,瓦斯主要來(lái)自開(kāi)采層和鄰近層(含圍巖),由以下幾個(gè)方面組成:一是采煤工作面煤壁中涌出的瓦斯,二是工作面新采落的煤炭中逸散出來(lái)的瓦斯,三是采空區(qū)涌出的瓦斯,其中采空區(qū)的瓦斯涌出主要由采空區(qū)遺煤、上下鄰近層瓦斯涌出。

圖1 綜放工作面瓦斯的來(lái)源Fig.1 Gas sources in fully-mechanized working face

3.2 回采工作面本煤層瓦斯抽采方法

煤層開(kāi)采過(guò)程中,瓦斯主要來(lái)源于臨近層和本煤層,而本煤層從煤壁上釋放出來(lái)的瓦斯在很多情況下同樣占有了很大比重。本煤層瓦斯抽采技術(shù)一般利用鉆孔卸壓預(yù)抽和邊抽邊采的方式。平行于工作面打順層鉆孔,在工作面回采之前預(yù)先抽采煤層內(nèi)瓦斯,達(dá)到降低采面瓦斯含量和卸壓的作用,有助于工作面的安全生產(chǎn)。邊抽邊采鉆孔即在開(kāi)采的過(guò)程中,在工作面布置抽采鉆孔進(jìn)行抽采,能夠減少開(kāi)采層的瓦斯涌出,解決了工作面瓦斯超限問(wèn)題。

結(jié)合22618工作面實(shí)際情況,在22618工作面施工鉆孔間距為5 m本煤層鉆孔,鉆孔在距底板1 500 mm的位置開(kāi)孔,鉆孔與煤壁夾角為90°,鉆孔傾角與施工處煤層偽傾角一致,孔徑為113 mm。鉆孔施工圖,見(jiàn)圖2。

圖2 22618本煤層鉆孔施工圖Fig.2 Boreholes working plan on the 22618 coal seam

3.3 本煤層鉆孔瓦斯抽采分析

圖3為22618本煤層瓦斯純量變化曲線(xiàn)圖。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù):隨著工作面推進(jìn),當(dāng)本煤層抽采鉆孔剩余460個(gè)時(shí),平均瓦斯抽采純量為3.54 m3/min,平均單孔瓦斯抽采純量為0.007 7 m3/min;本煤層抽采鉆孔剩余430個(gè)時(shí),平均瓦斯抽采純量為3.07 m3/min,平均單孔瓦斯抽采純量為0.007 14 m3/min,單孔瓦斯衰減量約為0.000 56 m3/min；本煤層抽采鉆孔剩余400個(gè)時(shí),平均瓦斯抽采純量為2.66 m3/min,平均單孔瓦斯抽采純量為0.006 65 m3/min,單孔瓦斯衰減量約為0.000 49 m3/min；本煤層抽采鉆孔剩余370個(gè)時(shí),平均瓦斯抽采純量為2.32 m3/min,平均單孔瓦斯抽采純量為0.006 27 m3/min,單孔瓦斯衰減量約為0.000 38 m3/min。

對(duì)比分析:本煤層三個(gè)月單孔瓦斯衰減量分別為0.000 56 m3/min、0.000 49 m3/min和0.000 38 m3/min,隨著本煤層鉆孔的瓦斯抽采,單孔瓦斯抽采的衰減量降低,說(shuō)明煤層內(nèi)瓦斯含量降低,本煤層瓦斯鉆孔的抽采有效的降低煤層內(nèi)的瓦斯含量。

圖3 22618本煤層瓦斯純量變化曲線(xiàn)圖Fig.3 Variation of gas drainage in the 22618 coal seam

3.4 本煤層鉆孔在煤層卸壓區(qū)時(shí)瓦斯抽采量分析

通過(guò)對(duì)本煤層觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后,選取了17#和18#兩組本煤層鉆孔為例進(jìn)行作圖(見(jiàn)圖4)分析:

圖4 本煤層鉆孔在煤層卸壓區(qū)時(shí)鉆孔純流量變化Fig.4 Flow variation when drilling at the release area of the coal seam

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù):當(dāng)本煤層鉆孔最后一個(gè)鉆孔距離切眼30 m時(shí),本煤層支管路抽采純量為1.96 m3/min;隨著工作面的推進(jìn)最后一個(gè)本煤層鉆孔距離為5 m,本煤層支管路抽采純量為2.56 m3/min。

對(duì)比分析:煤巖體在沒(méi)有受到影響時(shí),不會(huì)產(chǎn)生大量新裂隙,一般其瓦斯釋放速度仍然很慢。但是在開(kāi)采工作面,由于工作面前方會(huì)形成超前的支撐壓力,這個(gè)壓力通常可以集中到原始應(yīng)力的2倍,將對(duì)煤巖體產(chǎn)生破壞,形成新裂隙。本煤層鉆孔在距離工作面推進(jìn)前方5 m～10 m范圍內(nèi)會(huì)形成大量裂隙,瓦斯流動(dòng)將逐漸變得活躍,大量瓦斯在煤巖體擾動(dòng)破壞過(guò)程中而釋放,在這段范圍可以作為抽采瓦斯的最佳位置。因此,在不影響工作面正常生產(chǎn)的情況下,不能提前終止抽采,本煤層鉆孔距離切眼5 m時(shí)進(jìn)行拆除。

4 結(jié)束語(yǔ)

本煤層鉆孔在距離工作面推進(jìn)前方5 m～10 m范圍內(nèi)會(huì)形成大量裂隙,瓦斯流動(dòng)將逐漸變得活躍,大量瓦斯在煤巖體擾動(dòng)破壞過(guò)程中而釋放,這段范圍可以作為抽采瓦斯的最佳位置。抽采后對(duì)本煤層三個(gè)月單孔瓦斯衰減量進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn),單孔瓦斯抽采的衰減量明顯降低,說(shuō)明煤層內(nèi)瓦斯含量降低,本煤層瓦斯鉆孔抽采有效的降低了煤層內(nèi)瓦斯含量。