下峪口煤礦瓦斯治理方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化

姬 東，張 博，賈衛(wèi)東，孫 鵬

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦，陜西 渭南 715405)

0 引言

下峪口煤礦位于韓城礦區(qū)的東北端，北與桑樹(shù)坪井田相鄰，東以11號(hào)煤層露頭線構(gòu)成自然邊界，南至燎原井田下部，西部以3號(hào)煤層底板等高線+140 m垂切。走向長(zhǎng)6 km，傾斜5 km，面積27.596 3 km2。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力1.50 Mt/a。井田主要含煤地層為石炭系的太原組和二疊系的山西組，上石炭統(tǒng)太原組自上而下5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、11號(hào)、12號(hào)煤層，其中1號(hào)煤層為該組主要可采煤層，平均厚2.80 m，其余煤層皆屬不可采的薄煤層。下二疊統(tǒng)山西組自上而下為1號(hào)上、1號(hào)、2號(hào)上、2號(hào)、3號(hào)、3號(hào)下；3號(hào)煤層為主采煤層，3號(hào)下為小范圍可采煤層，2號(hào)為局部不可采煤層，其他煤層均不可采。2號(hào)煤層粉砂巖、砂質(zhì)泥巖直接頂初次垮落步距8～10 m、老頂來(lái)壓步距21～33 m，3號(hào)煤層粉砂巖、砂質(zhì)泥巖直接頂初次垮落步距6～9 m、老頂來(lái)壓步距18.5～20.5 m。

礦井采用平硐-暗斜井-立井多水平聯(lián)合開(kāi)拓方式，目前主要生產(chǎn)水平為+300 m水平。采用聯(lián)合布置開(kāi)采，+300 m水平布置3條大巷至2-1采區(qū)北部邊界，二水平開(kāi)采2號(hào)、3號(hào)煤層；11號(hào)煤層因底板奧灰水害未開(kāi)采。礦井系高瓦斯、突出礦井。礦井通風(fēng)方法為混合式，通風(fēng)方法為抽出式，實(shí)現(xiàn)分區(qū)式獨(dú)立通風(fēng)，礦井總排風(fēng)量14 520 m3/min。2號(hào)、3號(hào)煤層均屬不易自燃煤層。2號(hào)、3號(hào)煤層均有煤塵爆炸性。2號(hào)煤層與3號(hào)煤層間距7.6～13.2 m。礦井二水平主采2號(hào)、3號(hào)煤層，采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法，綜合機(jī)械化開(kāi)采；全部垮落法管理頂板。2017年礦井絕對(duì)瓦斯涌出量53.2 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量29.39 m3/t。

根據(jù)韓城礦業(yè)公司總體部署，下峪口煤礦決心通過(guò)3～5 a的采掘部署調(diào)整，采取技術(shù)、人員、管理、裝備、工程、培訓(xùn)、資金保障多措并舉的辦法，形成礦井瓦斯災(zāi)害治理能力與生產(chǎn)能力相匹配、采掘部署合理，“抽、掘、采”相協(xié)調(diào)的安全生產(chǎn)局面，杜絕瓦斯事故，消除突出傷人事故，實(shí)現(xiàn)瓦斯零超限以及礦區(qū)的長(zhǎng)治久安。

1 工程背景

1.1 瓦斯治理現(xiàn)狀

下峪口煤礦堅(jiān)持以開(kāi)采2號(hào)煤層作為3號(hào)煤層上保護(hù)層為主的瓦斯治理措施；針對(duì)2號(hào)煤層近水平薄-極薄一般地應(yīng)力主導(dǎo)型突出危險(xiǎn)的特點(diǎn)，采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶、回采區(qū)域煤層瓦斯作為區(qū)域防突措施。2號(hào)煤層回采過(guò)程中采用沿空留巷無(wú)煤柱回采，“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)；瓦斯治理采用順層鉆孔邊采邊抽、施工下向穿層鉆孔抽采3號(hào)煤層卸壓瓦斯、高位鉆孔和沿空留巷埋管采空區(qū)抽采等綜合瓦斯治理措施[1-5]。3號(hào)煤層采用上保護(hù)層2號(hào)煤層開(kāi)采結(jié)合下向穿層鉆孔強(qiáng)化卸壓瓦斯抽采作為區(qū)域防突措施；3號(hào)煤層工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，回采前采用順層鉆孔抽采回采區(qū)域煤層瓦斯實(shí)現(xiàn)回采區(qū)域瓦斯預(yù)抽效果達(dá)標(biāo)，回采過(guò)程中采用順層鉆孔邊采邊抽、高位鉆孔和上隅角埋管采空區(qū)抽采等綜合瓦斯治理措施。2012年至今礦井未發(fā)生瓦斯災(zāi)害導(dǎo)致的傷人事故，基本可以保證礦井安全生產(chǎn)。但隨著礦井逐步進(jìn)入深部開(kāi)采，瓦斯災(zāi)害日趨嚴(yán)重，礦井面臨新的瓦斯災(zāi)害治理問(wèn)題。

1.2 存在的問(wèn)題

礦井升級(jí)改造時(shí)2號(hào)煤層為非突出煤層，采掘部署未考慮2號(hào)煤層突出防治的需求，2012年礦井2號(hào)煤層升級(jí)為突出煤層后，導(dǎo)致礦井無(wú)法適應(yīng)瓦斯災(zāi)害治理的總體需求，2號(hào)煤層瓦斯治理的時(shí)間與空間不足。礦井近年雖經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，但采掘部署仍無(wú)法滿足礦井瓦斯治理的需求，同時(shí)導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)復(fù)雜，使得礦井的采掘接替緊張。保護(hù)層2號(hào)煤層回采速度一般50～70 m/月，被保護(hù)層3號(hào)煤層回采速度80～100 m/月，保護(hù)層開(kāi)采速度無(wú)法與被保護(hù)層開(kāi)采速度相匹配，制約了3號(hào)煤層開(kāi)采，加劇礦井采掘接替緊張的局面。

礦井目前生產(chǎn)主要集中在北部區(qū)域，生產(chǎn)過(guò)于集中，不利于礦井瓦斯災(zāi)害治理工作開(kāi)展。礦井深部水平開(kāi)采通風(fēng)路線長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜，通風(fēng)阻力大，需對(duì)礦井通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。新版《煤礦安全規(guī)程》實(shí)施后，2號(hào)煤層現(xiàn)在開(kāi)采深度約600 m，煤層平均堅(jiān)固性系數(shù)約0.3，采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯與《煤礦安全規(guī)程》第210條“不得將在本巷道施工順煤層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯作為區(qū)域防突措施”的規(guī)定不相符。礦井雖然建立了地面永久瓦斯抽采系統(tǒng)，基本可滿足礦井瓦斯抽采的需求，但目前尚未實(shí)現(xiàn)高、低負(fù)壓分抽，同時(shí)礦井進(jìn)入深部開(kāi)采，煤層瓦斯含量增加，礦井瓦斯涌出亦增大，需要進(jìn)一步提升礦井瓦斯抽采能力[6-9]。

2 瓦斯治理方案

2.1 巷道布置

下峪口煤礦二水平設(shè)計(jì)2號(hào)、3號(hào)煤層聯(lián)合開(kāi)采。由于3號(hào)煤層屬中厚嚴(yán)重突出煤層，水平大巷布置在3號(hào)煤層底板砂巖層，采區(qū)主要運(yùn)輸、通風(fēng)大巷布置在2號(hào)煤層內(nèi)。礦井二水平2號(hào)煤層2-1采區(qū)運(yùn)輸巷掘進(jìn)發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象后，鑒于2號(hào)煤層瓦斯地質(zhì)的復(fù)雜性，作為保護(hù)層開(kāi)采的2號(hào)煤層必須采取先區(qū)域、后局部的防突措施。上保護(hù)層2號(hào)煤層采用炮掘、綜采，被保護(hù)3號(hào)煤層工作面布置在保護(hù)范圍或采用強(qiáng)化預(yù)抽，局部未保護(hù)區(qū)煤柱消除突出危險(xiǎn)后采取炮掘、綜采放頂煤開(kāi)采[10-12]。經(jīng)綜合對(duì)比，下峪口煤礦瓦斯治理方案優(yōu)化將2號(hào)煤層上保護(hù)層工作面采用順層長(zhǎng)鉆孔遞進(jìn)掩護(hù)煤巷掘進(jìn)。目前2號(hào)煤層平行鉆孔施工深度80 m，基于此在工作面中部布置一條中巷，傾斜條帶寬度125 m。3號(hào)煤層回采巷道布置在2號(hào)煤層保護(hù)范圍內(nèi)，保護(hù)層工作面采用沿空留巷，工作面采用兩進(jìn)一回“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 巷道布置示意Fig.1 Schematic diagram of roadway layout

利用已有的準(zhǔn)備及回采巷道，掩護(hù)一條順槽掘進(jìn)，掘進(jìn)期間在該順槽內(nèi)施工長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽2號(hào)煤層工作面中巷煤巷條帶煤層瓦斯，預(yù)抽達(dá)標(biāo)后，掘進(jìn)中巷過(guò)程中施工順層長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽另一順槽的煤巷條帶煤層瓦斯。采用平行鉆孔單排布置，鉆孔間距4 m，鉆孔直徑φ94 mm，孔深77.5 m，順層鉆孔遞進(jìn)掩護(hù)煤巷條帶布置示意圖，如圖2所示。

圖2 順層鉆孔遞進(jìn)掩護(hù)煤巷條帶布置示意Fig.2 Strip layout of bedding borehole shield coal roadway

2.2 鉆孔布置

2號(hào)煤層工作面開(kāi)采前在進(jìn)順施工定向長(zhǎng)鉆孔，沿2號(hào)煤層底板布置，鉆孔直徑φ113 mm，孔深500 m，孔間距10 m，相鄰鉆場(chǎng)的鉆孔重疊20 m。開(kāi)采過(guò)程中，利用定向長(zhǎng)鉆孔抽采3號(hào)煤層卸壓瓦斯，如圖3所示。

圖3 定向長(zhǎng)鉆孔布置示意Fig.3 Layout of directional long boreholes

在回風(fēng)巷采用高位鉆孔與沿空留巷埋管相結(jié)合的方法抽采采空區(qū)瓦斯，預(yù)防采煤工作面瓦斯超限，高位鉆孔在進(jìn)順距切眼15 m處開(kāi)始施工，組間距15 m，高位鉆孔布置示意圖如圖4所示；沿空留巷墻體頂部每3 m埋設(shè)一條φ200 mm無(wú)縫鋼管抽采采空區(qū)瓦斯，如圖5所示。

圖4 高位鉆孔布置示意Fig.4 Layout of high-level borehole

圖5 沿空留巷埋管抽采瓦斯布置示意Fig.5 Gas extraction by buried pipe for gob-side entry retaining

2.3 采空區(qū)埋管抽采

在保護(hù)層工作面兩順超前施工下向穿層鉆孔預(yù)抽未保護(hù)區(qū)煤巷條帶、回采區(qū)域煤層瓦斯。3號(hào)煤層回采前采用順層鉆孔抽采回采區(qū)域瓦斯，回采過(guò)程中利用順層鉆孔邊采邊抽及采空區(qū)埋管抽采采空區(qū)瓦斯。在回采工作面采空區(qū)埋設(shè)抽采管對(duì)采空區(qū)進(jìn)行埋管抽采，以防3號(hào)煤層回采時(shí)工作面后方采空區(qū)積聚瓦斯致使隅角瓦斯超限。采空區(qū)埋管為每隔20 m向墻內(nèi)留設(shè)一根長(zhǎng)為200 mm的鋼管，當(dāng)上隅角瓦斯?jié)舛刃∮?%時(shí)，埋管封閉；當(dāng)隅角瓦斯?jié)舛却笥诘扔?%時(shí)，將埋管并入抽采管路進(jìn)行抽采。采空區(qū)埋管示意圖如圖6所示。

圖6 采空區(qū)埋管抽采示意Fig.6 Gas extraction by buried pipe in goaf

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，將埋管口保留在工作面的采空區(qū)，通過(guò)抽采系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。當(dāng)工作面推進(jìn)至下一個(gè)埋管口三通處，埋管口已經(jīng)埋在采空區(qū)內(nèi)3～5 m時(shí)，打開(kāi)下一個(gè)循環(huán)的埋管口閥門，直至工作面回采完畢，封閉回采巷道，繼續(xù)進(jìn)行采空區(qū)的瓦斯抽采至采區(qū)全部回采結(jié)束，以達(dá)到利用埋管不斷抽采采空區(qū)瓦斯的目的。

3 礦井瓦斯抽采系統(tǒng)擴(kuò)建

3.1 礦井瓦斯治理需求

下峪口礦井采掘部署調(diào)整后為1個(gè)3號(hào)煤層回采工作面，2個(gè)2號(hào)煤層回采工作面，預(yù)計(jì)礦井瓦斯涌出量110 m3/min。按礦井瓦斯抽采率預(yù)計(jì)50%計(jì)算，同時(shí)考慮采、掘工作面風(fēng)排瓦斯量不得超過(guò)5 m3/min、3 m3/min的要求，礦井抽采瓦斯量約60 m3/min。平均抽采濃度按15%考慮，礦井需抽采瓦斯混合量能力約1 400 m3/min，顯然目前的瓦斯抽采系統(tǒng)難以滿足礦井瓦斯治理需求。

3.2 瓦斯抽采系統(tǒng)擴(kuò)建

考慮到礦井以后2-2、2-4采區(qū)各布置1個(gè)2號(hào)煤層工作面；3號(hào)煤層布置1個(gè)工作面，2個(gè)采區(qū)跳采。二者距離較遠(yuǎn)，因此礦井采用分區(qū)建設(shè)地面瓦斯抽采泵站。即礦井新建姚家埝回風(fēng)立井抽采泵站，安裝2套2BEC80泵，主要擔(dān)負(fù)北翼瓦斯抽采。改造排矸立井泵站及地面管路，淘汰2BEC60泵，管路直徑由DN300 mm改造為DN720 mm，主要擔(dān)負(fù)南翼瓦斯抽采。2座泵站均采用2套管路分別建立高、低負(fù)壓抽采瓦斯系統(tǒng)，高負(fù)壓抽采系統(tǒng)擔(dān)負(fù)2號(hào)煤層預(yù)抽、3號(hào)煤層卸壓抽采，3號(hào)煤層采前抽采及邊采邊抽，石門揭煤瓦斯抽采；低負(fù)壓抽采系統(tǒng)擔(dān)負(fù)2號(hào)、3號(hào)煤層高位鉆孔抽采、沿空留巷埋管抽采、采空區(qū)埋管抽采。

4 結(jié)論

(1)下峪口煤礦按照“以抽定產(chǎn)、以風(fēng)定產(chǎn)、工程先行、技術(shù)突破、裝備升級(jí)、管理創(chuàng)新、全面提高”瓦斯綜合治理思路，建立了適合礦區(qū)特點(diǎn)的“一礦一策、一區(qū)一策、一面一策”的瓦斯治理方案。

(2)下峪口煤礦深部二水平開(kāi)采中近距離近水平突出煤層群，主采3號(hào)煤層以開(kāi)采一般突出危險(xiǎn)薄煤層2號(hào)煤層上保護(hù)層進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理，2號(hào)煤層上保護(hù)層工作面施工2號(hào)煤層底板定向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行卸壓瓦斯抽采。

(3)下峪口煤礦上保護(hù)2號(hào)煤層采掘工作面采取順層長(zhǎng)鉆孔遞進(jìn)掩護(hù)煤巷掘進(jìn)區(qū)域預(yù)抽瓦斯抽采治理模式，實(shí)現(xiàn)了礦井“抽、掘、采”協(xié)調(diào)開(kāi)采，并初步規(guī)劃了瓦斯抽采系統(tǒng)的擴(kuò)建方案。