低瓦斯礦井工作面上隅角瓦斯抽采技術與實踐

楊小兵

(霍州煤電集團豐峪煤業有限責任公司,山西 霍州 031400)

由于工作面的上隅角離煤壁和采空區比較近,風流速度會相對較低,從而會形成渦流狀態,當采空區瓦斯運移到工作面上隅角時,瓦斯會在上隅角形成旋轉的狀態,形成高濃度瓦斯[1]。針對上隅角瓦斯超限問題許多學者對其進行了研究。王克武等通過采用加大風量法、風機抽采法、正壓稀釋法、總排負壓抽采法和改進總排負壓抽采等方法,使上隅角瓦斯體積分數由正常通風時的1.6%下降到0.4%[2]。武海林采用在上方工作面(備采)運輸順槽向本工作面采空區施工抽放鉆孔,解決隅角瓦斯[3]。李梅東等采用臨時風簾法、高壓風流引射器法,采用移動瓦斯泵抽采法,解決了工作面上隅角瓦斯超限的問題[4]。李文明對采煤工作面細化通風管理并采用上隅角埋管或插管抽放,有效解決了采煤工作面上隅瓦斯超限問題[5]。許雙泉在綜采工作面回采時通過在上隅角掛風障和進風量調節等方式,降低礦井局部瓦斯集聚[6]。

綜上所述,上隅角瓦斯治理問題是很突出的,尤其是在低瓦斯礦井的上隅角瓦斯問題很容易被忽略,從而給礦井的安全生產和工人的人身安全造成了很大的威脅,嚴重地制約了礦井的安全高效生產。因此,本文以低瓦斯礦井為研究對象,提出了一種在低瓦斯礦井工作面上隅角瓦斯超限的治理方法。

1 工程背景及概況

某礦為兼并重組整合低瓦斯礦井,許可生產能力1.5 Mt/a,目前采用斜井開拓,以主斜井、副斜井、回風立井、后期回風立井四個井筒開拓全井田。采用綜采一次采全高采煤工藝,“U”型通風,上隅角瓦斯經常達到臨界狀態,嚴重威脅著礦井的安全生產。

1.1 工作面概況

礦井現開采11號煤層三采區11303工作面,根據礦方實測,11303工作面6月回風隅角瓦斯濃度為0.52%～1.76%,平均濃度1.05%,上隅角靠采空區里1 m處瓦斯濃度在1.2%～3.86%,平均濃度1.94%。回采工作面瓦斯上隅角超限問題有待解決。

1.2 工作面瓦斯來源

根據礦井瓦斯涌出量預測結果,瓦斯涌出主要來自于本煤層,其中本煤層瓦斯涌出量占總瓦斯涌出量的68%,鄰近層瓦斯涌出量占總瓦斯涌出量的32%。回風上隅角瓦斯涌出量主要來源于采空區,采空區瓦斯積聚點主要分布在頂板3～5倍采空范圍內的裂隙帶中。

2 瓦斯抽采方法選擇

根據煤層賦存條件、瓦斯涌出構成和巷道布置形式,目前解決上隅角超限的抽采方法主要有:高抽巷瓦斯抽采、高位鉆孔瓦斯抽采、采空區埋管瓦斯抽采、骨架風筒瓦斯抽采。其中,高抽巷瓦斯抽采需在頂板裂隙帶內布置一條巷道,掘進工程量大,投資大,經濟效益較差。

2.1 采空區埋管瓦斯抽采

在回風順槽內敷設抽采管,管路每隔30 m串接一個具有組合閥門的三通管件支管作為抽采采空區瓦斯的吸氣口,每隔一定距離安設閥門。支管采用Φ108 mm螺旋焊接鋼管。當抽采支管進入采空區15 m左右時,打開組合閥門,抽采采空區瓦斯,埋管瓦斯抽采管路布置見圖1。

圖1 采空區埋管瓦斯抽采管路布置圖

2.2 架設骨架風筒

在工作面回風順槽內敷設瓦斯抽采主管路,敷設至距工作面切眼6 m處,接Φ400 mm骨架風筒。順槽管路與骨架風筒連接處設組合閥門與篩板,待骨架風筒進入采空區300 mm時,打開閥門進行瓦斯抽采,架設骨架風筒布置見圖2。

圖2 架設骨架風筒布置圖

2.3 高位鉆孔瓦斯抽采

在回風順槽施工鉆孔對工作面裂隙帶瓦斯進行抽采,采空區裂隙帶高度根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中公式計算。

跨落帶:

導水裂縫帶:

或

式中：Hm為跨落帶高度，m;Hli為導水裂隙帶高度，m；M為煤層厚度，m。

11號煤層平均厚度為2.96 m。經計算,11號開采后垮落帶高度為4.15 m～8.55 m,導水裂隙帶高度最大為44.41 m或32.69 m。

在工作面回風巷,沿回風巷走向每隔70 m處開掘硐室作為鉆場,每個鉆場布置10個鉆孔。由鉆場向采空區裂隙帶施工抽放鉆孔,對采空區裂隙帶進行抽放,終孔高度控制在工作面采高的3～5倍,距煤層底板9.8 m～14.8 m。抽放控制區域為回采工作面靠上隅角一側采空區10 m～35 m范圍。每個鉆場每個鉆孔具體方位與角度、孔深、終孔高度、間距如表2所示,鉆場布置示意見圖3。

表1 鉆場鉆孔布置參數表

圖3 高位鉆孔瓦斯抽采鉆場布置示意圖

鉆孔與抽采瓦斯管連接時,設置孔板流量計、氣壓計、觀測嘴、閥門及放水器。封孔裝置與抽采管路之間用柔性鎧裝膠管連接,便于連接裝置的拆裝。其中開采層瓦斯抽采時,每五個鉆孔共用一個集氣裝置。鉆孔與抽采瓦斯管連接見圖4。

圖4 高位鉆孔與抽采瓦斯管連接圖

3 結論

綜上所述,在井下由于工作區偏遠,無法實現有效抽采,或者在低瓦斯礦井中出現上隅角瓦斯涌出量較高的情況,都可利用移動泵站進行接力抽采。

移動泵站抽采中骨架風筒抽采瓦斯與采空區埋管抽采瓦斯工藝簡單、施工容易、管理方便、設備投資少,但是兩種方案抽采效果較差,無法從根本上治理工作面上隅角瓦斯。高位鉆孔抽取瓦斯效果好,并且可以針對性的抽取本煤層瓦斯,投資小,見效快,具有較好的安全與經濟效益。因此,低瓦斯礦井采用移動式瓦斯抽采系統高位鉆孔抽采瓦斯可以有效解決工作面上隅角瓦斯超限問題。