采煤工作面采空区立体瓦斯抽采技术

文摘 2024-11-27 22:00 重庆

导

读

随着瓦斯治理的投入、先进钻进设备的应用推广及安全管理水平的不断提升，煤矿安全生产形势整体好转。但受煤层赋存条件、井下空间狭小及地质构造复杂等多因素的影响，矿井瓦斯事故仍有发生。

本文针对山西A矿3307采煤工作面回风隅角及回风流瓦斯体积分数高的问题，并结合现场条件，构建了以强化采空区瓦斯抽采及拦截为主的“高位钻孔+横川闭墙埋管+底抽巷闭墙埋管”立体瓦斯抽采技术，有效保障了采面生产的安全性。

工程概况

山西A矿为高瓦斯矿井，核定产能为4.6×106t/a，批准开采3#、7#、9#及13#煤层，现阶段生产主要集中在3#煤层，煤层厚度均值为4.69m，倾角为3°~9°，顶底板岩性以砂质泥岩、粉砂岩及泥岩为主，原始瓦斯含量为6.95~8.89m³/t。3307采煤工作面设计走向、倾向长度分别为750、298m，采用大采高开采工艺，全部垮落法管理顶板。

采面布置了3条回采巷道（见图1），采用两进一回的通风方式，其中，33071巷为辅助回风巷，配风量为500m³/min，33072巷为回风巷，配风量为3850m³/min，33073巷为主进风巷，配风量为3350m³/min。

3307采煤工作面采用“本煤层顺层钻孔+底抽巷穿层钻孔”方式进行瓦斯治理，其中底抽巷布置在采面中部3#煤层下覆15m的砂质泥岩层中。受邻近卸压瓦斯及采空区瓦斯涌出影响，3307采煤工作面瓦斯涌出量较高，回风隅角及回风流瓦斯体积分数最高可达到0.87%、0.64%，因此，需要构建瓦斯抽采方案，以解决采面瓦斯体积分数偏高的问题。

图1 采面巷道示意图

采空区立体瓦斯抽采技术

为有效解决3307采煤工作面因采空区瓦斯涌出量大引起的回风隅角瓦斯集聚、回风流瓦斯体积分数高等问题，通过分析采面回采巷道布置、采面瓦斯涌出来源及煤层顶底板岩性参数等，提出了综合采用“高位钻孔+横川闭墙埋管+底抽巷闭墙埋管”方式拦截采空区瓦斯。顶板高位钻孔以及横川埋管均布置在3307采煤工作面回风侧位置，以阻止采空区瓦斯向回风隅角涌出，底抽巷闭墙埋管抽采主要利用采面中部布置的底抽拦截瓦斯。采空区瓦斯抽采布置情况如图2所示。

图2 立体瓦斯抽采示意图

一、顶板高位钻孔裂隙瓦斯抽采

钻孔布置层位

为实现对顶板裂隙瓦斯的拦截，高位钻孔应布置在顶板裂隙带内，顶板裂隙带发育高度可用式（1）表示：

式中：H_H为顶板裂隙带发育高度的数值，单位m；M为开采煤层厚度的数值，取4.7m。

通过计算，顶板裂隙带发育高度为55.9~67.1m，因此，布置的高位钻孔应尽量位于3#煤层上覆55.9~67.1m范围内，倾向方向上高位钻孔与回风巷间距控制在20.0~65.0m之间。

钻孔布置方式

结合3307采煤工作面回采巷道掘进揭露及已有地质探测资料显示，采面回采范围内断层、褶曲等地质构造较为发育，局部存在破碎带，为提高顶板裂隙瓦斯抽采效果，提出了综合采用“高位定向长钻孔+普通高位钻孔”抽采瓦斯。在2#和5#横川内施工定向长钻孔，钻孔孔深控制在500~650m内，其中5#横川钻场终孔位于切眼上覆，2#横川钻孔终孔超过5#横川50m以上。定向长钻孔钻进期间开孔孔径为93mm，随后扩孔至156mm，单个钻场内布置3个定向长钻孔主孔，并从主孔钻进1个分支钻孔，钻孔终孔位于3#煤层上覆40~70m位置，水平间距为10~20m。

为避免地质构造导致高位定向长钻孔失效，在33071巷内按照30m间距布置了1个钻场，单个钻场内包含2组普通高位钻孔（见图3），共计布置8个钻孔孔，其中第1组钻孔（1#~4#钻孔）、第2组钻孔（5#~8#钻孔）孔深分别为100、80m，钻孔水平间距为10m，钻终孔位于3#煤层上覆35~45m处。第1组钻孔最外侧的1#钻孔与回风巷间距为20m，第2组钻孔最外侧的5#钻孔与回风巷间距为25m。

二、横川闭墙埋管抽采

3307采煤工作面供风量较大，受采面通风负压、采空区漏风等影响，采空区内大量瓦斯容易从回风隅角位置涌出，导致回风隅角瓦斯聚集及回风流瓦斯体积分数增高，仅采用高位钻孔无法有效解决顶板瞬间垮落及瓦斯涌出量大等问题。因此，结合3307采煤工作面回采巷道布置情况，提出了在工作面后方使用横川闭墙埋管抽采瓦斯，通过埋管抽采可以阻止采空区瓦斯涌向回风隅角位置，并改变瓦斯流场，使埋管位置处于低负压区，从而消除回风隅角存在的“旋涡”，避免回风隅角瓦斯超限。

图3 普通高位钻孔布置图

依据以往瓦斯治理经验，确定了横川闭墙埋管瓦斯抽采量为风排瓦斯量的30%，具体为5.96m³/min，同时抽采体积分数应保持在4%以上，因此，埋管抽采混量应为149m³/min。横川闭墙埋管管径可用下式表示：

式中：D为埋管管径的数值，单位m；Q为埋管抽采混量的数值，取149m³/min；v为经济流速的数值，取5~12m/min。通过计算，埋管管径D为0.513~0.795m。

三、底抽巷闭墙埋管抽采

在3307采煤工作面回采期间，底板卸压会产生贯通裂隙，若对底抽巷进行密闭并埋管抽采，不仅可以拦截底板卸压瓦斯，还可以抽采3307采空区底板裂隙瓦斯。在底抽巷距离切眼300、600m处时分别布置密闭墙体并埋抽采管，将埋管接入到底抽巷内铺设的DN355抽采管路中进行低负压抽采。在3307采煤工作面共设计了以下3套瓦斯抽采管路：

1）利用33072巷内铺设的DN355高负压抽采管路连接顶板高位钻孔；

2）横川闭墙埋管与33072巷已有的DN610低负压抽采管路连接；

3）利用底抽巷内已铺设的DN355管路与闭墙埋管连接，使底抽巷闭墙区处于低负压区，便于抽采卸压瓦斯及采空区底板裂隙瓦斯。

瓦斯立体抽采效果分析

3307采煤工作面推进期间受地质构造、机电设备检修等因素影响，采面煤炭日产量为2300~7500t，采面在生产期间回风隅角瓦斯体积分数为0.32%~0.63%，均值为0.43%，回风隅角瓦斯体积分数峰值在顶板来压期间，回风流瓦斯体积分数为0.22%~0.41%，均值为0.32%。从瓦斯抽采统计情况（见表1）可以得知：

1）瓦斯体积分数从高到低依次为高位钻孔、底抽巷闭墙埋管、横川闭墙埋管，抽采纯量从高到低依次为横川闭墙埋管、高位钻孔及底抽巷闭墙埋管；

2）高位钻孔及底抽巷闭墙埋管布置位置由于漏风量较小，所以瓦斯抽采体积分数较高，而横川闭墙埋管布置存在采空区漏风量较大的情况，抽采体积分数偏低；

3）在采面正常生产期间，瓦斯抽采纯量较为稳定，随采面煤炭产量波动较小。

表1 3307采煤工作面不同日产量下瓦斯抽采统计结果

结语

依据3307采煤工作面巷道布置、煤层赋存条件等，构建了立体瓦斯治理技术，通过拦截邻近层及采空区瓦斯，有效降低了回风隅角及回风流瓦斯体积分数。工程应用后，3307采煤工作面回风隅角、回风流瓦斯体积分数分别为0.32%~0.63%、0.22%~0.41%，瓦斯体积分数稳定在安全范围内，有效解决了采面瓦斯涌出量大、回风隅角瓦斯体积分数高的问题。

推文来源

王庆龙.采煤工作面采空区立体瓦斯抽采技术研究[J].能源与节能,2024,(10):154-156+159.DOI:10.16643/j.cnki.14-1360/td.2024.10.040.

参考文献

[1]申海洋. 定向钻机在厚煤层综放工作面瓦斯治理的实践与应用[J]. 中国矿山工程，2022，51（6）：50-54.

[2]沈洪才. 段王煤矿煤层瓦斯参数测定及抽采可行性分析[J]. 中国矿山工程，2022，51（6）：39-44

编辑丨张凯重庆大学

审核丨赵昱龙重庆大学

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