高瓦斯綜放工作面瓦斯抽采綜合技術(shù)的研究

張建為

（山西澤州天泰能源有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

根據(jù)不完全的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)目前的國(guó)有及大中型重點(diǎn)煤礦企業(yè)中，高瓦斯礦井占到49.8%左右的比例。瓦斯涌出量過(guò)大以及煤與瓦斯突出成為了影響煤礦企業(yè)生產(chǎn)安全的最大隱患。因此，一些企業(yè)及科研單位在研究及生產(chǎn)過(guò)程中，采取了瓦斯抽采技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)空間內(nèi)的瓦斯抽采率，在不同程度上有效改善了瓦斯突出的狀況并減少了作業(yè)時(shí)的瓦斯涌出量[1-2]。但是目前來(lái)說(shuō)，瓦斯抽采技術(shù)體系未達(dá)到成熟狀態(tài)，依然存在著許多薄弱環(huán)節(jié)以及隱患問(wèn)題。例如，井下瓦斯抽采技術(shù)所配備的機(jī)械設(shè)備不足、抽采率偏低等。大部分煤礦的井下瓦斯抽采率還不足30%，瓦斯災(zāi)害情形依然嚴(yán)峻[3]。因此，本文對(duì)高瓦斯綜放工作面的瓦斯抽采綜合技術(shù)及各自的適用范圍進(jìn)行研究，結(jié)合山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)有限公司3205 綜放放頂煤工作面的具體實(shí)際，提出合理有效的瓦斯綜合治理體系，為實(shí)現(xiàn)煤礦井下的安全生產(chǎn)提供支撐。

1 工程概況

3205 綜放放頂煤工作面位于工業(yè)廣場(chǎng)以西南的山坡山梁溝谷地段，地表無(wú)建筑物。南部為礦界，西部為3203 采空區(qū)，北部為二采區(qū)大巷，東部為原小窯破壞區(qū)、關(guān)閉井口。地面標(biāo)高為860 m，井下標(biāo)高690 m，走向長(zhǎng)度646 m，傾斜長(zhǎng)度132 m，面積約為81 092 m2。該工作面的布置方式為單一走向長(zhǎng)壁巷道，停采線位置位于原3205 回風(fēng)順槽聯(lián)絡(luò)巷處。采煤工藝為綜放放頂煤采煤法， 使用MG160/380-WD 采煤機(jī)進(jìn)行割煤作業(yè)，采高為2.3 m，割煤深達(dá)0.6 m，割煤方式選用端部斜切進(jìn)刀雙向割煤。根據(jù)《3205 綜放放頂煤工作面地質(zhì)說(shuō)明書》預(yù)測(cè)結(jié)果表明，3205 綜放放頂煤工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為2.85 m3/min，二氧化碳涌出量為1.6 m3/min。

2 瓦斯抽采綜合治理技術(shù)

2.1 瓦斯抽采原則

在對(duì)高瓦斯突出的綜放工作面進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，要有明確的目的性和針對(duì)性，做好抽采設(shè)計(jì)、施工和管理。

在抽采作業(yè)前，首先對(duì)開采層的瓦斯抽采難易程度進(jìn)行衡量，根據(jù)煤層的透氣性系數(shù)和鉆孔流量的衰減系數(shù)將其劃分為容易抽采、可以抽采和較難抽采三類，以此指導(dǎo)后續(xù)抽采技術(shù)的選擇及作業(yè)方式。具體評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1 所示。

表1 瓦斯抽采難易程度評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2 瓦斯抽采技術(shù)種類

瓦斯抽采技術(shù)是一種保障煤礦井下生產(chǎn)安全的技術(shù)手段，其主要原理為通過(guò)抽采使高瓦斯突出的井下煤層轉(zhuǎn)變?yōu)榈屯咚篃o(wú)突出危險(xiǎn)的煤層，同時(shí)使巷道內(nèi)風(fēng)流中含有的瓦斯質(zhì)量濃度不超過(guò)規(guī)定限度。一般可以分為開采層抽采、鄰近層抽采和采空區(qū)抽采三類。其中，開采層抽采主要的適用情形為：通風(fēng)技術(shù)無(wú)法解決的具有較大瓦斯含量的煤層，透氣性系數(shù)較高（超過(guò)0.23 m2/（MPa2·d））、單孔瓦斯流量較大的中厚煤層，可保證一定抽采時(shí)間的采掘面[4-5]。鄰近層抽采技術(shù)主要包括上鄰近層卸壓抽采法和下鄰近層卸壓抽采法兩類。具體的形式為鉆孔抽采瓦斯方式、巷道抽采瓦斯方式和混合型抽采瓦斯方式。采空區(qū)抽采技術(shù)主要包括回采工作面瓦斯抽采技術(shù)、老采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)、報(bào)廢礦井瓦斯抽采技術(shù)三種類型。目前應(yīng)用研究最多的為回采工作面采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)。其中又包括了采空區(qū)積聚瓦斯抽采法、采空區(qū)冒落卸壓邊采邊抽法、工作面上虞角瓦斯抽放法等，具體表現(xiàn)方式為鉆孔抽采、巷道抽采、插管抽采。具體瓦斯抽采技術(shù)分類結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1 所示。

圖1 瓦斯抽采綜合技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 瓦斯抽采技術(shù)的選擇

對(duì)瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行選擇時(shí)主要根據(jù)被采區(qū)域內(nèi)瓦斯來(lái)源、開采條件、煤層狀況來(lái)確定。

1）瓦斯來(lái)源主要為開采層時(shí)，通常采用鉆孔預(yù)先抽采技術(shù)。

2）瓦斯來(lái)源主要為頂板和底板時(shí)，通常采用穿層鉆孔或者鄰近層鉆孔抽采技術(shù)。

3）煤層的透氣性相對(duì)不易抽采的時(shí)候，需要卸壓抽采。

4）煤層賦存在400 m 以下，較為平坦時(shí)，通常考慮垂直鉆孔技術(shù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)有限公司3205 綜放放頂煤工作面的一、二采區(qū)回收煤柱區(qū)進(jìn)行了瓦斯涌出量測(cè)定與評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)瓦斯涌出量小于5 m3/min，掘進(jìn)工作面小于3 m3/min，從瓦斯涌出量和配風(fēng)來(lái)看，通風(fēng)完全可以滿足稀釋排放瓦斯，可以不進(jìn)行瓦斯預(yù)抽工作。具體抽采方案如下：

3.1 采空區(qū)瓦斯抽采方法

為了解決3205 回采工作面回采期間的回風(fēng)隅角瓦斯問(wèn)題，在3205 回風(fēng)順槽實(shí)煤體側(cè)布置了7 個(gè)高位抽放鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)寬4 m，深度3 m，高與回風(fēng)順槽高度一致，用錨索、錨桿、錨網(wǎng)支護(hù)方式支護(hù)。如回風(fēng)順槽實(shí)煤體側(cè)有特殊情況可對(duì)鉆場(chǎng)位置作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

高位抽采瓦斯鉆孔布置：每個(gè)鉆場(chǎng)布置8 個(gè)高位抽放鉆孔，鉆孔分上、下兩層以三花眼形式布置，每層4 個(gè)抽放鉆孔。1 號(hào)、2 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔的向上傾角為19°（鉆孔傾角以煤層傾角向上傾斜角度），水平角第一個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏3°，第二個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏6°，第三個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏9°，第四個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏12°，鉆孔長(zhǎng)度為120 m，鉆孔水平孔距為30 cm，兩層鉆孔垂直間距離為50 cm。3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔的向上傾角為23°（鉆孔傾角以煤層傾角向上傾斜角度），水平角第一個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏3°，第二個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏6°，第三個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏9°，第四個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏12°，鉆孔長(zhǎng)度為100 m，鉆孔水平孔距為30 cm，兩層鉆孔垂直間距離為50 cm。6 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔的向上傾角為15°（鉆孔傾角以煤層傾角向上傾斜角度），水平角第一個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏3°，第二個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏6°，第三個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏9°，第四個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏12°，鉆孔長(zhǎng)度為150 m，鉆孔水平孔距為30 cm，兩層鉆孔垂直間距離為50 cm。

7 號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔的向上傾角為15°（鉆孔傾角以煤層傾角向上傾斜角度），水平角第一個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏3°，第二個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏6°，第三個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏9°，第四個(gè)鉆孔向順槽內(nèi)偏12°，鉆孔長(zhǎng)度為100 m，鉆孔水平孔距為30 cm，兩層鉆孔垂直間距離為50 cm。

3.2 回風(fēng)隅角埋管抽采方法

3205 綜放面回風(fēng)隅角采用后退邁步式埋管交替抽放，在3205 回風(fēng)順槽鋪設(shè)一趟Φ219 抽放管路用于回風(fēng)隅角瓦斯抽放，距3205 回風(fēng)隅角50 m 處變徑為兩趟Φ159 抽放管路，并安裝控制閥門。Φ159管路延伸至回風(fēng)隅角處。Φ159 管路每隔20 m 接三通一個(gè)（三通用于接抽放立管，此立管有條型孔，用于抽采），兩根抽放管三通交錯(cuò)10 m 的距離。待上端頭頂板垮落掩埋管路1.5 m后，開啟閥門進(jìn)行抽放。3205 綜放面回采至第一趟抽放管路10 m處時(shí)，在第二趟抽放管路接抽放立管（距巷道頂板相差10 cm），并進(jìn)行固定。待回風(fēng)隅角頂板垮落掩埋立管1.5 m后，開啟閥門進(jìn)行抽放。隨著3205 綜放面回采推進(jìn)，上述方法以此交替進(jìn)行施工。在3205 回風(fēng)順槽總管路上安裝孔板流量計(jì)，用于測(cè)量3205 回風(fēng)隅角瓦斯抽采參數(shù)。

3.3 抽放管路布置

3205 回風(fēng)順槽布置兩趟Φ219 抽放管路，高位鉆場(chǎng)抽采接入高負(fù)壓抽放管路，支撐高度不得小于300 mm，在低洼處安裝放水器，放水器間距不得超過(guò)200 m，在回風(fēng)繞道安裝一套孔板流量計(jì)。回風(fēng)隅角埋管抽采接入低負(fù)壓抽放管路，抽放管路沿底板鋪設(shè)，在低洼處安裝放水器，放水器間距不得超過(guò)200 m，在回風(fēng)繞道抽采管路上安裝一套孔板流量計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

高瓦斯綜放工作面在井下生產(chǎn)作業(yè)時(shí)存在瓦斯涌出量大、瓦斯抽采困難等問(wèn)題。本文在對(duì)目前高瓦斯綜放工作面常用的瓦斯抽采技術(shù)及其適用范圍進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合山西澤州天泰坤達(dá)煤業(yè)有限公司3205 綜放放頂煤工作面的具體實(shí)際，提出了包括采空區(qū)瓦斯抽采方法、回風(fēng)隅角埋管抽采方法以及抽放管路布置在內(nèi)的合理有效的瓦斯綜合治理的具體方案，為實(shí)現(xiàn)煤礦井下的安全生產(chǎn)提供了有效保障。