采煤工作面回風隅角瓦斯積聚治理技術研究

陳汝旭

(山西焦煤汾西礦業集團 高陽煤礦,山西 孝義 032306)

采煤工作面普遍采用U型通風方式,該種通風方式具備通風系統簡單、通風阻力小以及通風路線短等優點,但是當采面回采煤層瓦斯涌出量大時,容易在回風隅角位置出現瓦斯集聚問題,進而影響采面煤炭安全回采[1-4]。文中以山西某礦3505采煤工作面瓦斯治理為工程背景,對采面回采期間回風隅角瓦斯體積分數偏高原因進行分析,并針對性地提出瓦斯集聚治理技術,為采面煤炭高效回采提供了安全保障。

1 工程概況

3505采煤工作面回采長度為1 780 m、切眼斜長為247 m.采面回采的3號煤層厚度為2.3～3.5 m,均值2.9 m;煤層傾角0°～7°,均值4°.煤層頂底板巖性以細砂巖及砂質泥巖為主,具體巖性參數如表1所示。3505采煤工作面回采范圍內煤層賦存穩定,采面中部位置即可距切眼670～980 m范圍內發育有斷層、褶曲等地質構造,預計該范圍內煤層瓦斯體積分數有所增大。

表1 3號煤層頂底板巖性參數

3505采煤工作面采用U型通風方式,回采巷道均為矩形斷面(凈寬×凈高=4.8 m×2.9 m),采面回采期間瓦斯絕對及相對涌出量分別為4.25 m3/min、0.86 m3/t.截至2023年6月18日,3505采煤工作面已推進680 m,在開切眼至675 m范圍內回采時,采面回風隅角瓦斯體積分數相對較為穩定且低于允許值,而在675～680 m范圍內回采時,采面揭露有F3-1斷層(H=1.9 m,∠48°),在斷層影響范圍內瓦斯涌出量有所增大,從而導致采面回風隅角瓦斯體積分數偏高,采用風排方式無法滿足瓦斯排放需要,回風隅角位置存在瓦斯超限風險。

2 回風隅角瓦斯體積分數偏高分析

1) 地質構造。采面回采至斷層、褶曲影響范圍內時煤巖體裂隙發育,瓦斯容易在構造帶附近集聚,瓦斯含量偏高;3505采煤工作面在地質構造影響范圍內回采時,煤體容易出現片幫,從而導致采面瓦斯快速溢出,容易引起采面、回風隅角以及回風流等位置瓦斯增多,甚至引起瓦斯超限問題。

2) 采空區漏風。3505采煤工作面選用U型通風方式,采面風量為1 950 m3/min,由于采面上下端頭與巷幫間存在較大間隙,從而導致采空區漏風量較大,在通風負壓影響下,采空區內高體積分數瓦斯從回風隅角位置涌出,從而導致回風隅角位置出現瓦斯集聚[5-6]。

3) 鄰近采面采空區瓦斯。3505采煤工作面與鄰近的3503采空區間留設有25 m寬護幫煤柱,3505采煤工作面揭露的斷層等構造經煤柱向3503采空區延伸,在構造影響范圍內,煤柱裂隙發育并形成漏風通道,引起3503采空區瓦斯向3505采煤工作面回采空間涌出,導致回風隅角瓦斯集聚。

3 回風隅角瓦斯集聚治理技術

3.1 采空區埋管抽采

3505采煤工作面北側為回采完畢的3503采空區、南側為圈定的3507工作面(采面回采巷道已掘進完畢),3505回風巷與3507進風巷間留設有25 m寬的護巷煤柱,同時在煤柱上按照100 m間隔布置聯絡巷(矩形斷面,凈寬×凈高=4.0 m×2.9 m)。在聯絡巷內施工有密閉墻,通過密閉墻施工2根Φ219 mm的抽采支管并與3507進風巷內鋪設的抽采管路連接;在3505采煤工作面回采前密閉所有的抽采支管,當采面回采推進過密閉墻后,打開抽采支管,放入Φ130 mm的抽采軟管,并與3507進風巷內的抽采管路連接,實現采空區瓦斯抽采。當采面回采至第二個密閉墻時,開啟此位置的抽采支管并安裝抽采軟管,實現采空區瓦斯抽采。此時上一個密閉墻抽采支管密閉并拆抽采管路,依次類推直至采面回采結束。具體采空區埋管抽采布置如圖1所示。

圖1 回風隅角瓦斯綜合治理措施布置示意

3.2 高位瓦斯抽采

為減少對3505采煤工作面煤炭回采影響,在3505回風巷按照400 m間隔布置1個鉆場,深×寬×高=5.0 m×5.0 m×2.9 m,鉆場頂板及巷幫用錨網索方式支護。在鉆場內布置4個高位裂隙鉆孔(編號1號～4號),鉆孔孔徑統一為75 mm,孔深450 m,鉆孔開孔距頂板0.8 m,間距1.0 m.鉆場內1號～4號鉆孔向3505采空區方向偏角分別為10°、20°、30°、40°,鉆孔終孔位于煤層頂板20～30 m位置;鉆孔施工完成后,在鉆場內布置抽采軟管并與回風巷內抽采主管連接;采面回采距鉆場10 m時,及時封堵鉆場內的抽采鉆孔,鄰近的鉆場高位鉆孔開始進行瓦斯預抽。

3.3 回風隅角增設風水射流器

在采面液壓支架下方與回風上隅角間距10 m位置增設風水射流器。采用的風水射流器主要組成單元包括加壓泵、儲水箱、風水管路、環形噴霧裝置等[7-8],配備電機功率為5 kW,環形噴霧裝置布置在距離回風隅角2 m位置。3505采煤工作面回采時,開啟風水射流器通過加壓泵將水從環形噴霧裝置中噴出,通過噴出水霧增加回風隅角風量并降低粉塵質量濃度。

4 結 語

1) 3505采煤工作面在670～980 m范圍內回采時,受地質構造、采空區漏風、煤層瓦斯涌出量大等多重因素影響,回風隅角瓦斯體積分數偏高,存在一定的超限風險。為此,結合3505采煤工作面及鄰近的3507采煤工作面回采巷道布置情況,提出綜合使用采空區埋管、高位定向長鉆孔、增設風水射流器等方式進行回風隅角瓦斯集聚治理。

2) 利用3505回風巷與3507進風巷保護煤柱上間隔100 m布置的聯絡巷布置采空區埋管抽采鉆孔,對采空區瓦斯進行持續接抽,埋管布置簡單且抽采量大;通過在回風巷布置高位定向鉆孔,對頂板裂隙高濃度瓦斯進行抽采,鉆孔覆蓋范圍廣且對采面生產影響較小;在回風隅角增設風水射流器,利用噴射的水幕增大回風隅角風量。現場應用后,3505采煤工作面在后續回采期間,回風隅角瓦斯體積分數始終保持在0.5%以內,實現了瓦斯有效治理。