高瓦斯薄煤層瓦斯綜合治理技術研究與應用

2024-01-06 14:26:32孫凱巖

煤炭與化工 2023年11期

孫凱巖

（山西華陽集團新能股份有限公司二礦，山西陽泉 045000）

1 概況

山西華陽集團新能股份有限公司二礦位于山西陽泉礦區，井田占地面積約為116 km2，井田南北走向長度約為16 km，工業儲量約為1 895.76 Mt，設計生產能力為3.7 Mt/a，礦井以2 個礦井進行全井田開拓，其中1 號井內九七盤區的97307 工作面煤層埋深290～370 m，煤層平均厚度1.7 m，傾角為2°～9°，屬于薄煤層，工作面走向長1 402 m，傾向長179 m。查閱煤礦地質資料，97307 工作面屬于低透氣性煤層的高瓦斯工作面[1]，在綜采作業中容易出現瓦斯濃度因聚集增加導致的爆炸事故發生，目前工作面的通風系統布置如圖1 所示。有2個進風巷道（97213、97214）和1 個回風巷道（97215），形成Y 型通風結構[2]，但由于沿空留巷段采空區兩巷風壓不平衡導致通風阻力增大[3]，瓦斯排放效果并不理想，因此采用瓦斯綜合治理技術，解決瓦斯井下集聚問題，降低瓦斯安全隱患風險，對安全開采作業有著極大的現實意義。

圖1 97307 工作面通風系統布置示意Fig.1 Ventilation system layout diagram in No.97307 Face

2 瓦斯綜合治理技術

根據二礦97307 工作面開采工藝以及瓦斯治理系統，從采空區漏風治理、瓦斯積聚抽采2 個方面進行瓦斯綜合治理。

2.1 采空區漏風治理措施

礦區內97306 工作面結構與97307 工作面結構基本相同，但通風系統采用的是U 型結構，為了驗證U 型與Y 型結構通風系統效果，對比了2 種通風系統在采用切頂卸壓自動留巷開采工藝[4]時上隅角瓦斯濃度，發現Y 型結構通風系統在開采同時期瓦斯濃度可降低0.17%～0.27%，濃度對比如圖2 所示，表明當前Y 型結構通風系統效果優于U 型結構，但在實際開采中發現，Y 型通風系統沿空留巷段采空區兩巷風壓不平衡[5]，雖然可以通過調節2 個進風巷道風量，降低風壓壓差，但過長的通風路線使得通風阻力大[6]，尤其是沿空留巷段在進行大型設備轉運時，巷道通風量會受到明顯影響[7]，導致瓦斯濃度監測系統報警的情況時有發生，通過監測發現當前Y 型通風系統存在漏風問題，尤其在沿空留巷段尾部20 m 范圍內尤為明顯，且瓦斯抽放埋管直徑偏小，抽排量小于了漏風量，造成擋矸墻前瓦斯偏高并向外涌出現象[8]，采空區漏風治理采用調壓減漏和封堵封漏2 種措施[9]。

圖2 上隅角瓦斯濃度變化曲線圖Fig.2 Curve of gas concentration change in upper corner

2.1.1 調壓減漏

采空區漏風量的影響因素之一是97213 巷和97214 巷2 個進風巷道存在的壓差，進風巷道風量分別為1 200 m3/min、650 m3/min，對應的監測壓差值為42 Pa；調整進風巷道配風量為950 m3/min、1 100 m3/min 后，2 個進風巷導致的沿空留巷通風風壓差下降了24 Pa，達到較低的15 Pa，進風壓差降低，采空區氣體向留巷段泄露的動力降低，監測發現漏風量下降了42 m3/min，穩定在38 m3/min，擋矸墻前瓦斯濃度降低了0.37%。

2.1.2 封堵封漏

對采空區擋矸墻進行密封，降低漏風量。擋矸墻采空區側用風筒布、鐵絲網和鋼筋網結構進行密封[10]，外側采用木板、風筒布和塑料網結構并進行混凝土噴漿結構進行密封。施工后采空區內瓦斯濃度保持在2.1%左右，擋矸墻外側瓦斯濃度為0.7%左右，提升了瓦斯治理效果，擋矸墻結構示意如圖3 所示。

圖3 擋矸墻結構示意Fig.3 Structure of gangue retaining wall

2.2 瓦斯積聚抽采

單一降低采空區漏風量的措施不能完全實現瓦斯安全治理目標，需要對工作面煤層鉆孔進行瓦斯預抽排，以降低綜采過程中巷道瓦斯積聚。煤層中瓦斯抽排鉆孔的設計與布置是關鍵，結合工作面煤層特點，采用頂板走向高位長鉆孔和傾向高位鉆孔為主、順層鉆孔為輔的方式進行瓦斯積聚抽排。

2.2.1 頂板走向高位長鉆孔

在97307 工作面設置4 個頂板走向高位定向長鉆孔，鉆孔布局如圖4 所示，鉆孔起始位置為97214 通風巷，沿著頂板走向向工作面上隅角方向施工，利用ZDY-11800LD 型鉆機，鉆桿直徑120 mm，鉆孔長度最長為600 m，在裂隙帶里進行定向鉆孔，能夠在鉆孔和鉆場數量較少的情況下，進行大流量瓦斯混合氣體抽排，且施工難度低，成本低。

圖4 沿空留巷工作面頂板走向高位長鉆孔布局Fig.4 Layout of high-level long boreholes along the roof of gob-side entry retaining working face

2.2.2 頂板走向高位普通鉆孔

頂板走向高位普通鉆孔鉆場從在97214 巷距離切眼位置50 m 處開始，間隔50 m 設置24 個鉆場，鉆場為上邊3 m、底邊6 m、深度3 m 的梯形結構，鉆場高度與97214 巷高度相同，從鉆場向工作面上隅角方向打扇形頂板穿層鉆孔，鉆孔直徑為113 mm。

2.2.3 頂板傾向高位鉆孔

頂板傾向高位鉆孔區間為97215 巷接近切眼位置處至設計停采線20 m 處，共布置232 個傾向高位鉆孔，通過瓦斯抽采，使采空區形成微負壓，避免采空區瓦斯從擋矸墻縫隙擴散至留巷段。鉆孔水平傾角20°，傾向長度為65 m，垂直高度為21 m，在距離切眼位置300 m 范圍內，孔間距6 m，后段孔間距為10 m，傾向高位鉆孔直徑為113 mm，頂板傾向高位鉆孔布置如圖5 所示。

圖5 沿空留巷工作面頂板傾向高位鉆孔布置Fig.5 Layout diagram of high-level boreholes in roof tendency of gob-side entry retaining working face

2.2.4 順層鉆孔

在97214 巷距離切眼10 m 處至停采線前10 m范圍內的煤壁，向97307 工作面側進行順層垂向鉆孔，鉆孔間距為6 m，鉆孔為橫向單層，共197 個鉆孔。

2.2.5 采空區埋管

將97215 巷D457PE 管通過正前橫川引出至97214 巷，用于抽采沿空留巷段正前采空區內集聚的瓦斯。

3 瓦斯綜合治理效果

對97307 工作面進行采空區漏風治理、瓦斯積聚抽采等瓦斯治理措施后，對工作面瓦斯量進行了持續跟蹤，以評價瓦斯綜合治理措施的有效性。監測數據顯示，在工作面回采作業期間，回風瓦斯濃度最大為0.48%，風排瓦斯量為9.6 m3/min，頂板走向高位長鉆孔、頂板高位普通鉆孔、頂板傾向高位鉆孔和順層鉆孔的抽放量分別為3.8、3.1、1.8和3.9 m3/min，共12.6 m3/min，各鉆孔抽放氣體瓦斯濃度不同，頂板走向高位長鉆孔抽放瓦斯濃度高達28.2%，頂板傾向高位鉆孔抽放瓦斯濃度為4.6%，其余鉆孔排放瓦斯濃度為9.7%，瓦斯抽采率達到58.6%。

3.1 瓦斯抽采量分析

利用U 型通風系統抽采量和Y 型通風系統抽采量監測數據繪制瓦斯抽采量對比曲線圖，如圖6所示，可以看出2 種通風系統的瓦斯抽采量均隨著工作面的推進距離增加而增大，除600 m 處因煤體的非均質特性差異導致抽采量變化外，對比可以看出，Y 型通風系統瓦斯抽采量明顯大于U 型通風系統，表明97307 工作面采用的Y 型通風系統通過采空區漏風治理后，是較佳的瓦斯治理方式。

圖6 瓦斯抽采量對比曲線圖Fig.6 Comparison curve of gas drainage volume

3.2 風排瓦斯量分析

風排瓦斯量能夠反映出回采巷道中瓦斯濃度情況，最大風排瓦斯量越低，表示回采巷道瓦斯含量越低，表明瓦斯治理措施效果越明顯。圖7 為97306 和97307 兩個工作面采用不同瓦斯治理措施后最大風排瓦斯量對比曲線圖，可以看出在工作面推進的各距離處，采用采空區漏風治理、瓦斯積聚抽采等瓦斯治理措施的97307 工作面最大風排瓦斯量均低于采用以上瓦斯治理措施的97306 工作面最大風排瓦斯量，在推進至1 000 m 時，最大風排瓦斯量降低18%左右，說明瓦斯治理效果明顯。