常村煤礦S5-11工作面瓦斯綜合治理技術(shù)應(yīng)用

李 莊

(潞安集團(tuán) 常村煤礦，山西 長治 046102)

1 工程概況

潞安環(huán)能股份公司常村煤礦目前正在進(jìn)行井田范圍內(nèi)3#煤層的采掘活動，2018年礦井的相對瓦斯涌出量為12.36 m3/t，絕對瓦斯涌出量為78.69 m3/min，鑒定礦井為高瓦斯礦井。該礦S5-11工作面位于山西組中下部，煤層厚度為1.2～4.56 m，平均厚度為2.98 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤層傾角一般為2°～5°，平均為3°. 3#煤層透氣性系數(shù)為0.058 9～0.080 6 m2(MPa2·d)，煤層透氣性較差，屬于難抽煤層。S5-11工作面所在采區(qū)原煤最大瓦斯含量為11.36 m3/t，透氣性系數(shù)0.074 1 m2(MPa2·d)，煤層具有煤塵爆炸的危險(xiǎn)，不易自燃。

S5-11工作面西鄰采區(qū)輔運(yùn)大巷，南邊為已經(jīng)回采的S5-09工作面，東邊及西邊均未布置工作面，共布置3條回采巷道，S5-11輔助進(jìn)風(fēng)巷、S5-11進(jìn)風(fēng)巷、S5-11回風(fēng)巷，通風(fēng)方式為Y型通風(fēng)，3條巷道均沿3#煤層頂板掘進(jìn)，工作面巷道布置見圖1. 為了提高工作面采出率，設(shè)計(jì)將S5-11輔助進(jìn)風(fēng)巷和S5-11回風(fēng)巷保留分別作為S5-13工作面輔助進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷使用。常村煤礦常用的通風(fēng)方式為U型通風(fēng)，由于3#煤層質(zhì)密、裂隙發(fā)育較差，導(dǎo)致抽采困難，經(jīng)常發(fā)生上隅角、回風(fēng)巷瓦斯超標(biāo)的問題，為了解決此類問題，在S5-11工作面首次采用Y形通風(fēng)及沿空留巷，通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)研究等方法，采取合理的采空區(qū)瓦斯治理措施及工作面瓦斯抽采鉆孔布置參數(shù)。

圖1 S5-11工作面巷道布置圖

2 瓦斯綜合治理技術(shù)

參照目前回采的S5-09工作面瓦斯情況，在S5-11工作面采取順層鉆孔預(yù)抽本層瓦斯，采用沿空留巷兩進(jìn)一回的Y型通風(fēng)方式，在輔助進(jìn)風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷施工順層鉆孔，在S5-11輔助進(jìn)風(fēng)巷采用高水材料進(jìn)行巷旁充填保留，形成Y型通風(fēng)。在S5-11回風(fēng)巷(瓦排尾巷)每隔適當(dāng)距離布置一組頂板傾向鉆孔，每組包括一個(gè)低位孔和一個(gè)高位孔，對上臨近層的瓦斯進(jìn)行抽采。采空區(qū)瓦斯通過在巷旁充填體內(nèi)埋管進(jìn)行抽采。

2.1 采前順層鉆孔參數(shù)的確定

參照正在回采的S5-09工作面瓦斯預(yù)抽順層鉆孔的布置參數(shù)，設(shè)計(jì)S5-11工作面順層瓦斯抽采鉆孔直徑為120 mm，鉆孔的封孔深度對于瓦斯抽放的純量具有很大的影響[1]，因此在S5-11工作面通過鉆屑法確定合理的封孔長度。測試的地點(diǎn)為S5-11工作面回風(fēng)巷距離開切眼890～910 m，鉆孔d42 mm，鉆孔深度為18 m，間距為3.0 m，測試鉆孔與巷道頂板距離為2.5 m，與底板距離為1.3 m，一共布置10個(gè)鉆孔，準(zhǔn)確地記錄每個(gè)鉆孔每鉆進(jìn)1 m所排出的碎屑量，整理后得到結(jié)果，見圖2.

圖2 每米鉆屑量沿鉆孔方向的變化曲線圖

鉆屑量的變化趨勢與地應(yīng)力的變化基本一致，隨鉆孔深度變化鉆屑量和地應(yīng)力的變化規(guī)律為：在0～12 m，每米鉆屑量增加的較為平緩，該范圍屬于卸壓帶；在12～18 m，鉆屑量先是急劇增加然后減小，并且當(dāng)鉆孔深度為16 m左右時(shí)，鉆屑量達(dá)到最大，該區(qū)域?yàn)閼?yīng)力集中區(qū)，最大應(yīng)力值在16 m左右取得。合理的封孔深度應(yīng)超過煤體內(nèi)卸壓帶的范圍，并且要小于集中應(yīng)力峰值點(diǎn)的深度，綜上可以確定，合理的封孔深度在12～16 m. 為了確定合理順層預(yù)抽鉆孔的間距，采用fluent模擬不同鉆孔間距條件下瓦斯鉆孔影響半徑及瓦斯?jié)B流的規(guī)律[2]，鉆孔周圍瓦斯壓力的分布規(guī)律見圖3.

圖3 不同鉆孔間距下鉆孔周圍瓦斯壓力分布規(guī)律圖

由圖3可知，隨著順層瓦斯抽采鉆孔之間距離的增大，鉆孔之間的煤層瓦斯壓力逐漸增大，并且煤層的滲透率逐漸減小，當(dāng)鉆孔間距離為2 m時(shí)，瓦斯壓力大于0.74 MPa，超過了抽采的要求，因此S5-11工作面順層鉆孔之間距離為1 m. S5-11工作面順層瓦斯抽采鉆孔布置見圖4，在S5-11輔助進(jìn)風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷每間隔1 m沿煤層方向施工一個(gè)鉆孔，鉆孔直徑為120 mm，S5-11工作面共施工2 688個(gè)鉆孔，其中輔助進(jìn)風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷分別施工1 344個(gè)鉆孔，鉆孔深度為130 m，兩側(cè)鉆孔相互交叉，長度重疊10 m.

2.2 高位鉆孔參數(shù)的確定

高位鉆孔抽采瓦斯對于采空區(qū)瓦斯的治理具有較好的效果，在S5-11輔助進(jìn)風(fēng)巷頂板向采空區(qū)裂隙帶鉆進(jìn)的瓦斯排放孔為高位鉆孔，采空區(qū)瓦斯通過頂板跨落后巖塊之間的裂隙作為通道進(jìn)行排放[3-4]. 高位鉆孔的主要施工參數(shù)包括：鉆孔直徑、長度、仰角及在水平方向上的投影與回風(fēng)巷之間的夾角。根據(jù)S5-11工作面上覆巖層的性質(zhì)及頂板的冒落情況，為了保證抽采瓦斯的濃度，考慮到煤層厚度為2.98 m，鉆孔仰角設(shè)計(jì)為30°，長度設(shè)計(jì)為40 m，終孔位置距煤層頂板法線為8～12倍的采高，鉆孔的直徑為190 mm，水平方向上的投影與回風(fēng)巷之間夾角為45°. 高位裂隙鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯的抽放另一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)是鉆孔間距。適當(dāng)?shù)你@孔間距應(yīng)當(dāng)能夠在前一個(gè)抽放鉆孔由于采動破壞導(dǎo)致其失去抽放的能力后，下一個(gè)鉆孔能夠抽出較高濃度的瓦斯，這樣就能夠?qū)⒉煽諈^(qū)的瓦斯一直維持在較低的水平，這就要求每一個(gè)鉆孔終孔位置都處于上一個(gè)鉆孔的有效長度之上。根據(jù)S5-11綜放工作面實(shí)驗(yàn)考察情況，高位鉆孔在巷道方向上的有效抽放距離為15 m左右，因此每隔15 m布置一個(gè)高位鉆孔。在S5-11回風(fēng)巷布置的高位鉆孔具體參數(shù)見圖5. 鉆孔的深度在45 m左右，傾角在28°～42°，采用ZDY-4000L全液壓鉆機(jī)進(jìn)行施工，鉆頭為d193 mm的合金鉆頭，配套d73 mm的外平鉆桿使用。封孔采用d140 mm全孔PE套管注入水泥漿液進(jìn)行封孔，封孔深度應(yīng)大于5 m，每組鉆孔包括一個(gè)低位和一個(gè)高位鉆孔。

圖4 順層瓦斯預(yù)抽鉆孔布置示意圖

圖5 采空區(qū)高位瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

2.3 采空區(qū)埋管參數(shù)的確定

采空區(qū)埋管瓦斯抽放是解決上隅角瓦斯超限的一種很有效的方法，在我國高瓦斯工作面得到廣泛應(yīng)用，一般情況下抽采的瓦斯純量為2.0～3.0 m3/min，濃度一般不大于5%. 決定其抽采效果的主要參數(shù)為：抽放高度、抽放深度和埋放間距，結(jié)合常村煤礦S5-11工作面現(xiàn)場實(shí)際條件，取距煤層底板1.8 m，距沿空留巷充填體0.5 m，工作面后方0.5 m的位置作為上隅角瓦斯?jié)舛扔^測點(diǎn)，通過數(shù)值模擬分析不同埋管參數(shù)條件下上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖兓煌榉鸥叨葪l件下的模擬結(jié)果見表1.

表1 不同抽放高度條件下模擬結(jié)果表

由表1可知，隨著采空區(qū)瓦斯埋管抽放高度的增加，抽出的瓦斯?jié)舛仍谥饾u增大，并且上隅角的瓦斯?jié)舛戎饾u減小，所以抽放高度越高所取得的效果越好，由于煤層高度僅為2.98 m，考慮到施工等多方面的因素，將瓦斯管的高度設(shè)定為2.5 m. 抽放深度及埋管間距通過同樣的方法確定為15 m. S5-11工作面采空區(qū)埋管瓦斯抽放設(shè)計(jì)參數(shù)見圖6，由于每垛充填體的長度為3 m，在巷旁充填體內(nèi)每間隔15 m(5垛巷旁充填體)埋放一個(gè)預(yù)留長度為2.5 m，d190 mm的抽放管，埋放位置距離巷道底板為2.5 m，埋放管貫穿巷旁充填體深入到采空區(qū)內(nèi)，在伸入采空區(qū)的端頭處焊接濾網(wǎng)，通過截止閥、三通和連接管接入留巷內(nèi)d560 mm的抽采管道上。

3 瓦斯綜合治理效果

對常村煤礦S5-11工作面回采期間瓦斯綜合治理效果進(jìn)行監(jiān)測，整理后得到結(jié)果見表2.

表2 瓦斯綜合治理抽放效果表

圖6 采空區(qū)埋管布置示意圖

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果可知，S5-11工作面絕對瓦斯涌出量為53.55 m3/min，其中采煤工作面絕對瓦斯涌出量為9.69 m3/min，采空區(qū)為43.86 m3/min. 瓦斯抽放系統(tǒng)共抽放瓦斯39.55 m3/min，其中工作面順層瓦斯預(yù)抽鉆孔抽放量為4.3 m3/min，高位采空區(qū)瓦斯抽排鉆孔31.6 m3/min，巷旁充填體埋管抽放量為3.65 m3/min，瓦斯的抽放率為73.85%. S5-11綜采面回采時(shí)工作面總配風(fēng)量約為2 800 m3/min，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下，成功解決了在工作面回采期間上隅角及回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}，取得了明顯的瓦斯治理效果，保障了工作面的正常生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬及理論分析對S5-11工作面采用Y型通風(fēng)時(shí)瓦斯綜合治理的參數(shù)進(jìn)行研究，主要研究結(jié)論：順層鉆孔合理的布置間距為1 m，封孔深度為12～16 m. 高位鉆孔的合理深度為40 m，布置間距為15 m. 采空區(qū)埋管在巷旁充填體上合理的位置為距離底板2.5 m，沿采空區(qū)抽放深度15 m，埋放間距為15 m. 現(xiàn)場應(yīng)用及觀測結(jié)果表明取得了很好的瓦斯治理效果，工作面回采期間沒有發(fā)生過一次瓦斯超限。