周連春

(神華烏海能源有限責(zé)任公司通風(fēng)管理部,內(nèi)蒙古 014010)

1 前言

神華集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司平溝煤礦坐落在內(nèi)蒙古烏海市海渤灣區(qū)卡布其,礦井核定生產(chǎn)能力為1.2Mt/a;該礦通風(fēng)方式為分區(qū)抽出式通風(fēng),每個(gè)盤區(qū)在淺部開一個(gè)回風(fēng)井。該礦采用兩井筒進(jìn)風(fēng),即一、二號(hào)副井同時(shí)入風(fēng),各盤區(qū)上山回風(fēng)。平溝煤礦的礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為44.275m3/min,根據(jù)2011年新出版的《煤礦安全規(guī)程》第一百三十三條規(guī)定：“礦井的相對(duì)瓦斯涌出量大于10m3/t或礦井絕對(duì)瓦斯涌出量大于40m3/min時(shí)就是高瓦斯礦井”可以判定平溝煤礦為高瓦斯礦井,因此必須在礦井通風(fēng)合理的基礎(chǔ)上加強(qiáng)礦井的瓦斯綜合抽放才能確保礦井的安全生產(chǎn)。為了有效治理瓦斯,該礦除了優(yōu)化礦井通風(fēng)系統(tǒng)外,還采取了區(qū)域性預(yù)抽本煤層瓦斯、采空區(qū)埋管抽放瓦斯等綜合抽放瓦斯的措施,對(duì)礦井瓦斯進(jìn)行了有效治理,基本上保證了工作面的安全生產(chǎn)。但由于煤層地質(zhì)條件復(fù)雜,尤其是采煤工作面采煤時(shí)產(chǎn)生的大量瓦斯運(yùn)移到頂板的裂隙帶中,并隨頂板的跨落進(jìn)入采空區(qū)及上隅角,從而造成工作面上隅角及采空區(qū)聚積大量瓦斯嚴(yán)重制約工作面的安全生產(chǎn)。針對(duì)這種情況,該礦積極探索瓦斯抽放新工藝、新方法,采取了在回風(fēng)順槽打頂板高位抽放鉆孔的方法對(duì)工作面的瓦斯進(jìn)行了有效地治理,取得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益,保證了采煤工作面安全、高效、穩(wěn)定地生產(chǎn)。

2 1606采煤工作面概況

1606工作面位于二盤區(qū)下組煤南部,該工作面北至下組煤南部風(fēng)道保安煤柱,南至F9斷層斷保煤柱,東至本層1604采空區(qū)2m,以西本層未動(dòng)。上覆9-2#層、10#煤層采空區(qū)。該工作面煤層平均厚度2.68m,工作面平均長(zhǎng)度為266m,推進(jìn)長(zhǎng)度920m,進(jìn)回風(fēng)順槽長(zhǎng)935m。工作面設(shè)計(jì)采高為2.6m,可采儲(chǔ)量為90萬(wàn)t,工作面瓦斯含量為7.55m3/t。該工作面采用走向長(zhǎng)壁式采煤法,綜合機(jī)械化采煤工藝,全部跨落法來管理頂板。

3 問題的提出及采煤過程中瓦斯涌出量增大的原因

2010年4月,平溝礦綜采隊(duì)到1606工作面進(jìn)行采煤作業(yè)。綜采隊(duì)在采煤過程中發(fā)現(xiàn)其上隅角瓦斯經(jīng)常處于臨界狀態(tài),由于該工作面采用了瓦斯--電閉鎖裝置,瓦斯?jié)舛冗_(dá)到了臨界值時(shí)工作面電氣設(shè)備便跳閘,由于跳閘頻率高,嚴(yán)重地制約了工作面的安全生產(chǎn)。分析認(rèn)為,1606采煤工作面采煤過程中瓦斯涌出量增大原因：

(1)本煤層瓦斯涌出

采煤機(jī)在破煤過程中,煤層的原有應(yīng)力平衡被破壞,在煤壁前方的煤體內(nèi),產(chǎn)生3個(gè)應(yīng)力帶 (見圖1),即卸壓帶、集中應(yīng)力帶和原始應(yīng)力帶。在卸壓帶中,煤層的透氣性增大,地應(yīng)力與瓦斯壓力都大大降低,大量吸附在煤層中的瓦斯都沿著煤層的裂隙解吸釋放到工作面,從而導(dǎo)致工作面瓦斯涌出量增加。

圖1 應(yīng)力集中帶和卸壓帶分布

(2)鄰近層卸壓瓦斯涌出

平溝煤礦是典型煤層群賦存的礦井,對(duì)于1606工作面,16#煤層開采后,由于圍巖的移動(dòng)和地應(yīng)力的重新分布,在地層中形成了大量的裂隙,使開采層頂?shù)装甯浇簩又械耐咚勾罅坑咳腴_采空間所示。由于瓦斯較之空氣輕,瓦斯在采空區(qū)、工作面或裂隙帶內(nèi)向上運(yùn)動(dòng),造成這種運(yùn)動(dòng)的主要原因有：①瓦斯密度比周圍氣體介質(zhì)的密度小,而產(chǎn)生一種上浮力;②裂隙通道或漏風(fēng)通道兩端有風(fēng)壓能量差,具有了使瓦斯沿通道流動(dòng)的能力。具備以上條件之一,瓦斯即上浮,而對(duì)于傾斜上行通風(fēng)的工作面,上述兩個(gè)條件是共存的,其示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 鄰近層瓦斯涌向采空區(qū)示意圖

圖3 采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)示意圖

(3)上隅角瓦斯超限原因

綜上所述,平溝煤礦在開采16#煤層的1606工作面時(shí),除本煤層瓦斯涌出外,其上覆9#、10#煤層大量泄壓瓦斯進(jìn)入本工作面的采空區(qū),然后這些瓦斯連同采空區(qū)遺煤涌出瓦斯緩慢上浮到采空區(qū)瓦斯積聚區(qū)。本工作面上隅角瓦斯容易超限的原因就是本煤層涌出的瓦斯和鄰近層泄壓瓦斯涌到采空區(qū)的瓦斯積聚區(qū),然后經(jīng)漏入采空區(qū)的微弱風(fēng)流帶入回采工作面,在回采工作面與回風(fēng)巷交界處形成一片高濃度瓦斯積聚的區(qū)域 (上隅角瓦斯積聚區(qū)域)的結(jié)果。

4 頂板高位抽放技術(shù)的工作原理及應(yīng)用

針對(duì)在1606采煤工作面采煤過程中瓦斯涌出量增大的難題,該礦積極探索瓦斯抽放新工藝、新方法,采取了在1606工作面的回風(fēng)順槽實(shí)施頂板高位抽放技術(shù),有效地治理了工作面的瓦斯,保證了工作面的安全生產(chǎn)。

4.1 頂板高位抽放技術(shù)的工作原理

頂板高位抽放鉆孔是在回風(fēng)順槽向煤層頂板施工的鉆孔,頂板高位鉆孔瓦斯抽放又稱為頂板裂隙帶抽放,主要作用是以工作面回采采動(dòng)壓力形成的頂板裂隙作為通道來抽放工作面采空區(qū)及上隅角的瓦斯。

4.2 頂板高位抽放工藝及設(shè)備

4.2.1 高位裂隙抽放鉆孔的布置及尺寸

根據(jù)工作面采煤期間裂隙帶實(shí)際分布情況,在1606綜采工作面的回風(fēng)順槽外口處迎向工作面推進(jìn)方向施工頂板扇形鉆孔,鉆場(chǎng)施工上、中、下各1組鉆孔,每組2個(gè)鉆孔,共計(jì)6個(gè)鉆孔,1#～2#鉆孔在下方,3#～4#鉆孔在中間,5#～6#鉆孔在上方,鉆孔直徑為94mm,鉆孔終孔位置位于采空區(qū)裂隙帶內(nèi),抽采采空區(qū)和鄰近層的卸壓瓦斯,頂板高位鉆孔布置圖如圖4所示。同時(shí),通過抽采負(fù)壓作用,改變工作面后方采空區(qū)流場(chǎng),以此達(dá)到解決工作面采空區(qū)瓦斯涌出、上隅角瓦斯超限的問題。這6個(gè)孔必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求施工打到頂板裂隙帶內(nèi),以便于抽放裂隙帶內(nèi)的瓦斯。打好鉆孔后必須及時(shí)封孔,每2個(gè)孔一組及時(shí)與鉆場(chǎng)口的束管直通相連,直通又與φ150抽放管連接,利用井下移動(dòng)泵站將裂隙帶內(nèi)的瓦斯抽出,從而達(dá)到降低采空區(qū)及上隅角瓦斯的目的。

圖4 頂板高位鉆孔示意圖

該礦在1606回風(fēng)順槽頂板高位鉆孔施工參數(shù)表見表1所示。

表中各參數(shù)含義：

平距X表示鉆孔軸線在上順槽方向的投影長(zhǎng)度,m;距離Y表示鉆孔終孔點(diǎn)在煤層面垂直投影點(diǎn)到上順槽的距離,m;高度H表示鉆孔終孔點(diǎn)距煤層頂板的垂直高度,m。

表1 1606回風(fēng)順槽頂板高位鉆孔施工參數(shù)表

4.2.2 頂板高位抽放工藝

頂板高位抽放鉆孔施工時(shí),首先采用6000LD型定向鉆機(jī) (該型號(hào)鉆機(jī)由中煤科工集團(tuán)西安研究院研制成功,該鉆機(jī)功率大,操作簡(jiǎn)單,采用水力排粉,十分適合井下打巖石鉆孔使用)在鉆場(chǎng)內(nèi)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求打好鉆孔,然后采用 KFB水泥漿封孔泵封孔。封孔管采用DN50mm鋼管,水泥漿采用425號(hào)水泥與水?dāng)嚢柚瞥?水灰比為1：2,封孔長(zhǎng)度不少于7m。在鉆孔施工完后,用DN64mm吸引膠管將每個(gè)鉆孔與鉆場(chǎng)匯流瓦斯管相連接,連接處需用8號(hào)鐵絲將膠管扎緊。然后將匯流管與回風(fēng)巷安設(shè)的抽采管路相連接,在連接處需安設(shè)閥門以便控制抽采負(fù)壓。頂板走向長(zhǎng)鉆孔的抽采負(fù)壓一般控制在5～7KPa。然后利用井下移動(dòng)泵站井下帶抽,瓦斯泵用ZWY60/90型水環(huán)式真空泵,該泵額定流量為60m3/min,功率90KW,完全能滿足高位裂隙鉆孔抽放的需要。抽放隊(duì)定期安排人員檢查處理抽放管放水、漏氣,并及時(shí)觀測(cè)抽放管內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、?fù)壓、流量等技術(shù)參數(shù)。

5 高位裂隙抽放的實(shí)驗(yàn)及效果分析

2010年4月,平溝礦綜采隊(duì)初次進(jìn)入1606工作面采煤時(shí)其上隅角瓦斯?jié)舛冉?jīng)常保持在0.9%左右,并時(shí)有超限現(xiàn)象發(fā)生,嚴(yán)重影響了1606工作面的安全生產(chǎn)。2010年5月下旬,該礦開始在1606工作面采用高位裂隙抽放技術(shù)以來瓦斯抽放效果十分明顯,抽放隊(duì)安排放水人員在1606回風(fēng)順槽測(cè)量φ150抽放管內(nèi)負(fù)壓內(nèi)負(fù)壓、濃度等技術(shù)參數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)管內(nèi)負(fù)壓一般保持在5.2～7.3KPa之間,瓦斯?jié)舛纫话惚３衷?4%～19%之間。實(shí)施頂板高位抽放技術(shù)后,2010年6月上旬以后在該工作面采煤時(shí),上隅角的瓦斯?jié)舛纫呀抵?.3%～0.4%,此后觀察抽放管內(nèi)瓦斯?jié)舛戎两駴]有反彈,保證了1606工作面的安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn),收到了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 煤礦安全規(guī)程.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.2011.01：75.

[2] 徐永圻,《采礦學(xué)》,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[3] 李宵尖、姚精明等,高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)理論與實(shí)踐,煤炭科學(xué)技術(shù),2007.04.

[4] 翟成、林柏泉、吳海進(jìn)。頂板高位鉆孔抽放在瓦斯治理中的應(yīng)用,煤礦工程,2005.09.