華寧公司二盤區(qū)瓦斯災(zāi)害情況及抽采方法研究分析

張志忠

（山西華寧煤焦有限責(zé)任公司，山西 臨汾 042100）

1 概 況

山西華寧焦煤有限責(zé)任公司（以下簡稱“華寧公司”） 位于山西省鄉(xiāng)寧縣西南部，要里、崖坪、王家溝、南嶺反理村一帶，行政區(qū)劃屬西坡鎮(zhèn)管轄。2009 年華寧公司進(jìn)行資源整合和企業(yè)兼并重組，整合后礦井能力為3.00 Mt/a，近幾年瓦斯等級鑒定為低瓦斯礦井，井田面積24.814 5 km2，批準(zhǔn)開采煤層為2～12 號煤層，目前主要開采2 號煤層。礦井采用斜井開拓，單水平開采，開采水平為+740 m 水平。礦井目前為一井一區(qū)一面的生產(chǎn)格局，正在開采2 號煤層一盤區(qū)，即將進(jìn)入二盤區(qū)開采。為保障二盤區(qū)順利安全生產(chǎn)，對礦井瓦斯災(zāi)害情況進(jìn)行分析，并根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)瓦斯抽采方法。

2 礦井瓦斯災(zāi)害情況

目前，華寧公司礦井一盤區(qū)工作面在回采過程中，絕對瓦斯涌出量已超過5 m3/min。隨著開采進(jìn)入深部的二盤區(qū)，煤層瓦斯含量越來越高、瓦斯涌出量將越來越大。根據(jù)《山西華寧焦煤有限責(zé)任公司礦井2 號煤層瓦斯涌出量預(yù)測報(bào)告（3.0 Mt/a）》可知，礦井2 號煤層二盤區(qū)瓦斯含量最大，開采二盤區(qū)時(shí)礦井絕對瓦斯涌出量將達(dá)到26.23 m3/min，回采工作面絕對瓦斯涌出量將達(dá)到11.59 m3/min，預(yù)測礦井二盤區(qū)生產(chǎn)時(shí)將成為高瓦斯礦井。

二盤區(qū)回采工作面瓦斯涌出中，本煤層瓦斯涌出占77%左右，鄰近層瓦斯涌出占23%左右，由于上部1上、1、2上號煤層薄且存在的范圍小，其鄰近層瓦斯涌出主要來自于下部的3 號、7 號煤層。因此，礦井回采工作面瓦斯主要來自于本煤層和下鄰近層。

華寧公司目前未采取本煤層預(yù)抽和下鄰近層瓦斯抽采措施，工作面回采期間本煤層和下鄰近層瓦斯均涌入采空區(qū)，加之工作面通風(fēng)方式為“U”型，導(dǎo)致回采期間回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛容^高。因此，礦井面臨的瓦斯災(zāi)害治理問題主要為回采工作面回風(fēng)隅角瓦斯治理。

3 瓦斯抽采方法設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)煤礦資料，華寧公司礦井2 號煤層二盤區(qū)瓦斯含量為3.14 m3/t，殘存瓦斯含量為1.56 m3/t。雖然煤層可解吸瓦斯含量較小，但是由于產(chǎn)量大回采工作面絕對瓦斯涌出量較大。回采工作面將面臨的主要瓦斯問題是回風(fēng)隅角瓦斯治理困難。目前治理回風(fēng)隅角瓦斯的主要方法有裂隙帶瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯抽采。

3.2 裂隙帶瓦斯抽采

根據(jù)華寧公司2 號煤層賦存情況以及巷道布置方式，回采工作面煤層頂板裂隙帶瓦斯抽采可采用頂板高位裂隙鉆孔或頂板走向定向長鉆孔抽采瓦斯，下面對具體抽采方案進(jìn)行比選。

3.2.1 頂板走向定向長鉆孔抽采（方案一）

在煤炭的開采過程中，上方的巖層會形成垂直的“三帶”和水平的“三區(qū)”，同時(shí)采空區(qū)的四周會形成一個閉環(huán)形的采動裂隙，被稱為“O”型圈。這個“O”型圈隨著采煤工作的推進(jìn)而逐漸擴(kuò)大，并一直存在，是采空區(qū)游離瓦斯移動的主要通道和聚集的地方。在通風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)壓作用下，大量的瓦斯會聚集在工作面的回風(fēng)側(cè)“O”型圈區(qū)域，造成瓦斯超限。

在華寧公司2 號煤層回風(fēng)側(cè)煤層頂板的上方，設(shè)計(jì)布置了一些頂板走向定向長鉆孔。隨著工作面回采，這些定向鉆孔的末端逐漸進(jìn)入頂板裂隙帶。在抽采負(fù)壓的作用下，通過定向長鉆孔將采動裂隙形成的“O”型圈內(nèi)的瓦斯引流到抽采管網(wǎng)中，從而降低工作面上隅角的瓦斯聚集。

根據(jù)華寧公司2 號煤層二盤區(qū)具體情況，在回風(fēng)順槽頂板上方每500 m 布置1 組定向鉆孔，每組3 個鉆孔，鉆孔長度580 m，孔徑133 mm，鉆孔垂高控制在25～40 m，內(nèi)錯工作面間距控制在15～45 m。裂隙帶頂板走向定向鉆孔平面布置如圖1 所示。

圖1 頂板走向定向長鉆孔抽采法示意Fig.1 Schematic of roof strike directional long borehole extraction method

3.2.2 頂板高位裂隙鉆孔抽采（方案二）

在華寧公司2 號煤層回風(fēng)巷內(nèi)，垂直回風(fēng)巷向工作面煤層頂板方向掘進(jìn)一個抬高鉆場，鉆場尺寸寬2.5 m，高2.2 m，深4 m，為了確保鉆場的通風(fēng)，采用了導(dǎo)引風(fēng)筒導(dǎo)風(fēng)的通風(fēng)方式。鉆場60 m 左右設(shè)置1 個，在每個鉆場內(nèi)施工7 個扇形鉆孔，方向是迎著工作面推進(jìn)方向，鉆孔終孔間距為5 m，距煤層頂板的垂直距離為10～40 m（頂板以上），鉆孔終孔位置位于采空區(qū)上方裂隙帶內(nèi)，抽采采空區(qū)上方煤層頂板裂隙帶內(nèi)瓦斯，如圖2 所示。

圖2 頂板高位裂隙鉆孔抽采方法示意Fig.2 Schematic of roof high-level fracture drilling extraction method

3.2.3 方案選擇

方案一已在華寧公司一盤區(qū)進(jìn)行了應(yīng)用，抽采效果較好；而方案二雖然在山西其他條件類似礦井有過應(yīng)用，且有些礦井取得了良好效果，但是由于鉆場掘進(jìn)工程量大、鉆孔數(shù)量多，難以滿足工作面高效生產(chǎn)的要求。綜合考慮，華寧公司2 號煤層裂隙帶瓦斯抽采采用方案一，即采用頂板走向定向長鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采。

3.3 采空區(qū)瓦斯抽采

3.3.1 生產(chǎn)工作面抽采

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可采用插管法或埋管法抽采華寧公司2 號煤層目前正在生產(chǎn)的工作面內(nèi)的采空區(qū)瓦斯。

（1） 方案一：埋管法抽采。

在回風(fēng)巷內(nèi)敷設(shè)抽采管，隨著工作面推進(jìn)，抽采管管口保持伸入采空區(qū)10～30 m，將采空區(qū)頂部瓦斯進(jìn)行抽采，并使采空區(qū)氣體向埋管口流動，以此治理采空區(qū)瓦斯涌出，如圖3 所示。

圖3 采空區(qū)抽采示意Fig.3 Extraction schematic of goaf

在回風(fēng)巷內(nèi)，鋪設(shè)直徑較大的抽采管，并隔一段距離串接1 個帶有組合閥門的三通管件支管，作為抽采吸入口。隨著工作面的不斷推進(jìn)，管路上的吸入口進(jìn)入最佳抽采位置時(shí)（伸入采空區(qū)10～30 m），對應(yīng)的吸入口組合閥門就會打開，抽采采空區(qū)內(nèi)的瓦斯，從而防止采空區(qū)的瓦斯向工作面涌出。

（2） 方案二：插管法抽采。

現(xiàn)生產(chǎn)工作面的采空區(qū)采用插管法抽采采空區(qū)內(nèi)瓦斯，插管抽采方法如圖4 所示。

圖4 生產(chǎn)采空區(qū)插管抽采示意Fig.4 Intubation extraction in production goaf

（3） 方案選擇。

方案一已在華寧公司一盤區(qū)應(yīng)用，抽采效果較好。此外，借鑒一盤區(qū)埋管抽采參數(shù)也便于優(yōu)化二盤區(qū)抽采參數(shù)。方案二在一盤區(qū)的應(yīng)用效果不如方案一，且要求工作面回風(fēng)巷側(cè)鄰近的工作面有具備進(jìn)行插管抽采的巷道。綜合考慮，華寧公司2 號煤層現(xiàn)采空區(qū)瓦斯抽采采用方案一，即采用埋管法進(jìn)行瓦斯抽采。

3.3.2 老空區(qū)抽采

經(jīng)過分析研究，已采完的采空區(qū)采用密閉插管法抽采瓦斯，并在頂?shù)装鍒?jiān)固的巖（煤） 層巷道修建永久性封閉，確保周邊掏槽密閉、見硬幫硬底。華寧公司打雙層密閉，密閉墻厚度不小于1 m，中間用黃土充填，間距大于0.5 m，并在巷道四周2～3 m 噴漿密封，同時(shí)設(shè)置泥漿注入管和采氣測溫管。

在距離密閉里墻面大于0.5 m 處設(shè)置抽采管口，高度大于巷道高度的1/3，且抽采管口附近禁止堆放雜物。如果遇到巷道的淋水較大時(shí)，在密閉底部安設(shè)排水管，如圖5 所示。

圖5 密閉老空區(qū)瓦斯抽采示意Fig.5 Gas extraction in closed old goaf

3.4 鉆機(jī)選型及鉆孔施工

3.4.1 鉆機(jī)選型

根據(jù)上述華寧公司確定的瓦斯抽采方法，鉆孔施工選用1 臺千米定向鉆機(jī)，鉆機(jī)巖孔成孔深度大于600 m，具體參數(shù)如下：

3.4.2 抽采鉆孔施工

（1） 施鉆。所有抽采鉆孔施工均宜選擇在煤壁完整且無裂隙處開孔，并按設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行施工，作參數(shù)記錄。

（2） 封孔。采用“兩堵一注”的封孔工藝封孔，具體封孔工藝過程如下。

①固定封孔器：取出成套封孔器，將封孔器孔底囊袋前段抱箍固定在抽采管既定位置，如圖6 所示。

圖6 固定封孔器Fig.6 Fixed hole sealer

②送抽采管：將抽采管逐節(jié)連接，防止注漿管彎折將注漿管固定在抽采管上，然后逐節(jié)推送入鉆孔內(nèi)，至全部封孔器和抽采管送入鉆孔中。

③注漿封孔，如圖7 所示，打開井下壓風(fēng)，利用空氣調(diào)節(jié)閥將風(fēng)壓調(diào)至適當(dāng)壓力；向攪拌桶內(nèi)倒入適量封孔材料，并按合適的水灰比進(jìn)行混合，攪拌均勻后，打開注漿泵，排出注漿泵內(nèi)的空氣和水。

圖7 封孔注漿過程Fig.7 Sealing grouting process

將注漿管和注漿泵連接，向封孔器囊袋內(nèi)注漿，隨著注漿量增加，注漿泵出漿壓力逐漸升高至爆破閥額定壓力，此時(shí)封孔器囊袋完全注滿。當(dāng)注漿泵出漿壓力超過爆破閥額定壓力后，封孔器爆破閥打開向鉆孔封孔段內(nèi)注漿，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求的注漿壓力后停止注漿，此時(shí)鉆孔封孔段已注滿，并最終實(shí)現(xiàn)帶壓注漿。

④封孔后清理：完成封孔段注漿后，并將桶內(nèi)剩余物料注入鉆孔孔口段；拆除各個連接接頭，清洗注漿泵和攪拌桶。

4 結(jié) 語

為保障煤礦開采順利安全進(jìn)行，本文根據(jù)華寧公司即將開采二盤區(qū)的情況，分析了該礦目前面臨的主要瓦斯問題。通過分析，礦井面臨的瓦斯災(zāi)害治理問題主要為回采工作面回風(fēng)隅角瓦斯治理，據(jù)此對治理方案進(jìn)行研究，最終確定了煤層裂隙帶瓦斯抽采采用頂板走向定向長鉆孔抽采方案，現(xiàn)采空區(qū)瓦斯采用埋管法進(jìn)行抽采，老采空區(qū)瓦斯采用密閉插管法抽采。實(shí)踐表明，采用設(shè)計(jì)的瓦斯抽采方案后，華寧公司二盤區(qū)實(shí)現(xiàn)了順利開采，回采工作面沒有出現(xiàn)瓦斯超限的問題，瓦斯治理效果良好。