采煤工作面裂隙瓦斯治理技術分析

馮超帥

(山西焦煤汾西礦業南關煤業,山西 介休 032000)

瓦斯是影響煤礦安全生產的不利因素,實施瓦斯治理技術措施是降低瓦斯事故的根本措施[1-2]。現階段煤礦通過布置鉆孔實現瓦斯治理,具體措施包括:

1) 采前本煤層瓦斯預抽,包括地面煤層氣井預抽、高位放巷預抽、大直徑鉆孔預抽以及保護層開采等;

2) 本煤層鉆孔邊采邊抽;

3) 鄰近層抽采,包括鄰近層穿層鉆孔或者巷道穿層鉆孔抽采;

4) 采空區瓦斯抽采,包括回采巷道高位鉆孔、埋管等。

在井下煤炭開采過程中,通常需要多種瓦斯治理措施綜合使用方可實現瓦斯有效治理,控制采面瓦斯涌出[3-6]。井下回采工作面普遍采用U型通風方式,受通風負壓以及瓦斯特性影響,容易導致回風隅角位置瓦斯集聚,從而給采面煤炭回采造成較大安全威脅,回風隅角瓦斯主要源于采空區及頂板裂隙,通過采取合理的采空區頂板裂隙瓦斯治理技術,可有效減少瓦斯涌出,避免回風隅角瓦斯超限[7]。為此,文中就以某礦12205采煤工作面瓦斯治理為工程背景,對采面使用的裂隙瓦斯治理技術進行分析,以期為其他礦井類似情況采煤工作面瓦斯治理工作開展提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地質概況

12205采煤工作面設計走向、傾向長度分別為1 085 m、159 m,采用綜采開采工藝、全部垮落法管理頂板,采面使用U型通風方式。12205采煤工作面回采12號煤層,煤層厚度1.28～2.99 m、均值為2.0 m,煤層結構簡單,內部裂隙及節理不發育。采面開采范圍受區域褶曲構造影響,導致回采范圍內12號煤層傾角較大,平均為30°.采面回采范圍內12號煤層頂底板巖性以粉砂巖、粉砂質泥巖以及泥質粉砂巖等為主,具體頂底板巖性參數如表1所示。

1.2 煤層瓦斯賦存情況

12205采煤工作面回采范圍內煤層原始瓦斯含量為7.6～11.3 m3/t、瓦斯壓力為0.71～1.07 MPa,采用保護層開采、本煤層瓦斯抽采等瓦斯治理措施后,煤層殘余瓦斯含量降至4.851 m3/t以內、瓦斯壓力降至0.15 MPa以下。采面回采范圍內12號煤層普氏系數在0.327～0.419、煤層破壞類型為V類、孔隙率為4.08%.

1.3 采面瓦斯涌出情況

采面回采前在回風巷內鋪設有DN350低負壓抽采管路,按照30 m間隔布置三通,對采空區瓦斯進行埋管抽采。在12205采煤工作面內布置有105個液壓支架,在采面試生產期間,靠近回風隅角的101～102號支架頂部瓦斯體積分數達到0.87%、回風隅角瓦斯體積分數達到0.81%.

在12205采煤工作面回采后,采空區頂板垮落,上覆裂隙發育,在通風負壓作用下導致鄰近層瓦斯、采空區瓦斯以及頂板裂隙瓦斯涌向回采空間,通過分源預測法計算得到12205采煤工作面回采期間瓦斯涌出量為23.86 m3/min,其中開采層瓦斯涌出量為3.68 m3/min,鄰近層與圍巖瓦斯涌出量為20.18 m3/min.

2 采面裂隙瓦斯治理技術

2.1 瓦斯抽采方案確定

裂隙瓦斯是12205采煤工作面瓦斯治理的關鍵所在,以往礦井曾嘗試使用高位巷、高位穿層鉆孔等多種方式進行裂隙瓦斯治理。但是由于12205回風巷為沿空掘巷,在采面回采之前回風巷圍巖受采動壓力等影響變形量較大,而高位鉆孔對巷道圍巖穩定性、巷道寬度要求較高;高抽巷雖然對裂隙瓦斯有較好的治理效果,但是存在工程量大、耗時長以及治理投入大等問題。結合12205采煤工作面現場實際情況,提出在采面回風巷內布置高位鉆場對頂板裂隙瓦斯進行抽采。

2.2 高位鉆場在裂隙瓦斯抽采中的應用

為減少采空區頂板裂隙瓦斯、緩解12205采煤工作面瓦斯治理壓力,提出在切眼外125 m范圍以外布置高位鉆場對采空區頂板裂隙瓦斯進行抽采。

2.2.1 高位鉆場及鉆孔布置

12205采煤工作面設計采高為2.0 m,將高位鉆場布置在回采的12號煤層頂板上覆10 m(5倍采高)巖層中且與回風巷水平錯距控制在10 m左右,高位鉆場布置在頂板裂隙帶內;高位鉆場內抽采鉆孔終孔與12號煤層頂板間距為20 m(10倍采高),與回風巷水平間距為30 m.高位鉆場及高位鉆孔均在頂板裂隙帶范圍內,以提升裂隙瓦斯抽采效果。采面高位鉆場及鉆孔布置情況如圖1所示。

圖1 高位鉆場及鉆孔布置示意

在12205回風巷采面幫按照37°仰角掘進寬、高分別為4.5 m、2.8 m的斜巷,斜巷掘進12 m后向采面方向施工深、寬、高分別為2.5 m、3.0 m、3.0 m的高位鉆場。高位鉆場采用錨網索方式支護,1號高位鉆場布置在距離切眼52 m位置,高位鉆場間距為40 m.

2.2.2 高位鉆孔布置參數

高位鉆場施工到位后, 在高位鉆場內施工8個高位鉆孔,鉆孔在鉆場內布置上下2排,上排鉆孔距鉆場頂板1.8 m、下排鉆孔距鉆場底板0.6 m,鉆孔開孔距巷幫均為0.6 m、排距為0.6 m.高位鉆孔與12205回風巷夾角控制在-4°～16°,鉆孔布置成扇形;鄰近高位鉆場內高位鉆孔間有20 m重疊距離;1號高位鉆場內高位鉆孔終孔超過采面切眼10 m.高位鉆孔采用ZDY-2300鉆機施工,施工鉆孔孔徑為113 mm.

2.2.3 鉆孔封孔

高位鉆孔施工完成后使用Φ133 mm鉆頭進行擴孔,通過大直徑鉆孔提升裂隙瓦斯抽采效果。擴孔后放入頭部為花管的PE管(Φ88.9 mm),并在成孔24 h內完成封孔。高位鉆孔采用“兩堵一注+帶壓封孔”方式,封孔使用的材料包括注漿泵、囊袋、風水管、注漿管及返漿管等,具體斷面如圖2所示。鉆孔封孔深度控制在10 m以上,注漿壓力控制在4 MPa以上、返漿量在25 L/min以上,鉆孔封孔時間控制在20 min以內。封孔使用的漿液配比為:m(速凝膨脹封孔劑)∶m(水)=1∶1.2.

圖2 鉆孔封孔示意

3 瓦斯治理效果分析

高位鉆場內鉆孔施工完畢后及時接抽,確保抽采負壓在13 kPa以上。鉆場在回風巷開口處進行永久密閉。安排專人對高位鉆場內鉆孔瓦斯抽采情況進行跟蹤監測。采面回采期間高位鉆場瓦斯抽采效果如圖3所示。

圖3 高位鉆場瓦斯抽采效果

當采面回采10 m后,采空區頂板及時垮落,1號高位鉆場內高位鉆孔均處于頂板裂隙帶內;當回采30 m后,2號高位鉆場內高位鉆孔終孔進入到頂板裂隙帶內;當回采70 m后,3號高位鉆場內高位鉆孔終孔進入到頂板裂隙帶內。高位鉆場內鉆孔進入到頂板裂隙帶后,瓦斯抽采體積分數迅速增加至6%～28%.采面在后續回采期間,由于高位鉆場內鉆孔持續對裂隙瓦斯進行抽采,抽采純量為5.25～8.73 m3/min,有效減少了裂隙瓦斯涌出量,因此回風隅角瓦斯體積分數控制在安全范圍內,平均為0.38%.現場應用表明,12205采煤工作面使用的高位鉆場方式可實現頂板裂隙瓦斯的有效治理,為采面煤炭安全回采創造了良好條件。

4 結 語

針對12205采煤工作面試回采期間采空區瓦斯涌出量大、回風隅角瓦斯體積分數高等問題,結合現場情況提出將高位鉆場應用到頂板裂隙瓦斯治理中。將高位鉆孔布置在12號煤層頂板上覆10 m巖層中,鉆場內高位鉆孔布置在12號煤層上覆20 m巖層中,鉆孔終孔與回風巷水平間隔控制在10～30 m,高位鉆場內鉆孔接抽負壓為13 kPa.現場應用后,高位鉆場內鉆孔瓦斯抽采體積分數為6%～28%.瓦斯抽采體積分數波動主要是受頂板垮落、壓實影響,高位鉆場內鉆孔瓦斯抽采體積分數整體保持在高位;在高位鉆場鉆孔覆蓋范圍內,采面回采期間回風隅角瓦斯體積分數由0.81%降至0.38%左右,采面瓦斯體積分數保持在低位,可滿足煤炭安全回采需要。