孫宏敏，　盧　平，　陳洋洋

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥　230022)

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深井煤層群首采下保護(hù)層工作面瓦斯治理技術(shù)

孫宏敏，盧平，陳洋洋

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥230022)

摘要：本文以千米深井——朱集煤礦1242(1)首采工作面的瓦斯治理為例，提出并實(shí)施了地面鉆井、高抽巷和采空區(qū)埋管相結(jié)合的瓦斯分源治理綜合技術(shù)，分別抽采上覆13-1煤層卸壓瓦斯、頂板瓦斯富集區(qū)瓦斯和上隅角瓦斯。實(shí)踐表明，1242(1)工作面平均絕對(duì)瓦斯涌出量為68.8m3/min，地面鉆井平均瓦斯抽采量為28.7m3/min，占瓦斯涌出量的42.2%，高抽巷平均瓦斯抽采量為30.7m3/min，占瓦斯涌出量的45.2%，瓦斯抽采率高達(dá)87.4%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛鹊陀?.4%，實(shí)現(xiàn)深井高瓦斯煤層群首采下保護(hù)層工作面的安全高效開采。研究成果對(duì)類似條件礦井首采層工作面的瓦斯治理有指導(dǎo)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：下保護(hù)層；卸壓瓦斯；高抽巷；地面鉆井

0引言

我國煤炭工業(yè)在保證國民經(jīng)濟(jì)快速增長的同時(shí)，也面臨著開采條件不斷惡化的挑戰(zhàn)。這突出表現(xiàn)在隨著開采深度的增加，瓦斯壓力和瓦斯增大，特別是煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性升級(jí)。我國-1000m以下的煤炭資源占總資源量的53%，煤礦開采正以每年10～25m向深部延伸，一些低瓦斯礦井正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦咄咚沟V井或煤與瓦斯突出礦井[1-3]。深部煤層群開采，應(yīng)優(yōu)選非突出或突出危險(xiǎn)性小的煤層作保護(hù)層。開采下保護(hù)層，會(huì)導(dǎo)致其上覆煤層透氣性的顯著增強(qiáng)，而開采過程中的瓦斯涌出也主要來源于上鄰近煤層的卸壓瓦斯，若不采取有效的卸壓瓦斯治理方法，極易引起回采工作面瓦斯超限，給礦井的生產(chǎn)帶來安全隱患[5,6]。同時(shí)針對(duì)鄰近層卸壓瓦斯、采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，方能有效保障保護(hù)層工作面的安全回采。目前，鄰近層卸壓瓦斯治理以底板巷穿層鉆孔、地面鉆井抽采為主，本煤層工作面采空區(qū)卸壓瓦斯以走向頂板高位(高抽巷或高位鉆孔)抽采為主[8,9]。但工作面回采期間常采用多措并舉治理瓦斯，各種瓦斯治理措施的適用和效果并沒有詳細(xì)分析，特別是深井煤層群保護(hù)層開采，首采層瓦斯涌出量大，優(yōu)選高效的瓦斯治理方法十分必要。

本文以朱集礦1242(1)工作面為例，試驗(yàn)了以高抽巷和地面鉆井抽采為主，采空區(qū)埋管為輔的卸壓瓦斯綜合抽采技術(shù)，綜合分析了各種瓦斯治理方法的適應(yīng)性和有效性，可為今后類似工作面卸壓瓦斯綜合治理提供借鑒。

1試驗(yàn)工作面概況

朱集煤礦是淮南礦區(qū)新建的年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力4.0Mt/a深部大型礦井，主采11-2煤層和13-1煤層，其中13-1煤層為突出煤層。11-2煤層瓦斯含4.73m3/t，最大瓦斯壓力0.5MPa；13-1煤上距11-2煤層平均66.4m，平均厚度為4m，與11-2煤層的間距平均為66.4m，瓦斯含量10.01m3/t，最大瓦斯壓力3.85MPa。

圖11242(1)工作面示意圖

1242(1)工作面為朱集礦11-2煤層西一盤區(qū)第一個(gè)工作面，標(biāo)高-916.5m～-957.5m，煤層均厚2.58m，傾角為0～10°，平均3°。設(shè)計(jì)可采走向長度1315m，傾斜長度220m，采用“U”型通風(fēng)方式，如圖1所示。預(yù)計(jì)工作面相對(duì)瓦斯涌出量19.8m3/t，按日產(chǎn)量5000t計(jì)算，絕對(duì)瓦斯涌出量約為68.8m3/min，其中鄰近層瓦斯涌出量達(dá)53.2m3/min。工作面回采期間，設(shè)計(jì)地面鉆井、頂板走向高抽巷和上隅角埋管等技術(shù)措施綜合治理工作面瓦斯。

2瓦斯綜合治理技術(shù)

2.1　地面鉆井抽采

地面鉆井施工與抽采與生產(chǎn)互不影響，在煤層群下部煤層開采時(shí)，可實(shí)現(xiàn)上覆被卸壓煤層卸壓瓦斯及時(shí)高效抽采。1242(1)工作面共施工地面鉆井7個(gè)，各鉆孔布置參數(shù)如表1所示、鉆井穿過11-2煤層，終孔至煤層底板12米，結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要抽采13-1煤層卸壓瓦斯、部分抽采11-2煤層工作面頂板裂隙區(qū)瓦斯，抽采時(shí)間長。

圖2鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

表1地面鉆井位置分布參數(shù)

2.2　高抽巷

高抽巷抽采能有效處理工作面采空區(qū)頂板裂隙帶高濃度瓦斯涌向采面空間和上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，是治理采空區(qū)瓦斯和采動(dòng)鄰近層卸壓瓦斯的一種有效的抽采技術(shù)。

在豎直方向距11-2煤層頂板上方30m，水平方向距回風(fēng)巷22m處布置高抽巷，工作面回采期間，封閉高抽巷，壓2路D426mm抽采管，抽采開采層頂板裂隙帶富集卸壓瓦斯。

2.3　采空區(qū)埋管

在1242(1)上順槽(回風(fēng)巷)安裝一路DN426mm瓦斯抽采管路，管路接至工作面上隅角，管路末端安設(shè)S彎花眼鐵管。上隅角埋管每隔25m壓一路Φ300mm的鐵管，當(dāng)新壓管路埋入上隅角時(shí)，將原有的上隅角管路切換到新壓管路上，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯交替連續(xù)抽采。

31242(1)工作面瓦斯綜合治理效果分析

3.1　地面鉆井

圖3為1#～7#地面鉆井抽采瓦斯情況。從圖3可知，由于13-1原始煤層透氣性低，原始煤層抽采效果差，當(dāng)工作面推進(jìn)至地面鉆孔位置附近時(shí)，受采動(dòng)影響被保護(hù)層13煤層卸壓，煤層透氣性大大增加，地面鉆井抽采的瓦斯?jié)舛群图兞块_始明顯增加，地面鉆井抽采濃度一般在40%以上，單井抽采純量10～20m3/min。2#、5#鉆井平均抽采瓦斯?jié)舛雀?，分別為65.3%和74.2%；5#鉆井在工作面過鉆井位置0～150m時(shí)抽采瓦斯純量基本都在25m3/min以上，最高34.3 m3/min，隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，單井抽采瓦斯量逐漸下降，在過5#鉆井500m范圍內(nèi)平均抽采瓦斯純量19.1 m3/min。

圖31#～7#地面鉆井抽采瓦斯情況

1#～6#地面鉆井平均間距約180m(7#地面鉆井離收作線較近，不予統(tǒng)計(jì)以)，以瓦斯抽采平均濃度大于60%為高效標(biāo)準(zhǔn)，1#～6#地面鉆井高效抽采范圍依次可達(dá)430m、1000m、550m、85m、500m、115m；以瓦斯抽采平均純量大于10m3/min為高效標(biāo)準(zhǔn)，1#～6#地面鉆井高效抽采范圍依次達(dá)400m、105m、160m、260m、500m、270m，依據(jù)上述兩個(gè)指標(biāo)，地面鉆井平均單井高效抽采范圍為227.5m。綜上所述，單個(gè)地面鉆井易受采動(dòng)應(yīng)力和地質(zhì)條件影響，導(dǎo)致部分地面鉆井瓦斯抽采濃度高，但瓦斯抽采純量較低，使高效抽采范圍波動(dòng)大；而所有地面鉆井瓦斯累計(jì)抽采效果好，抽采效率高，高效抽采范圍可覆蓋整個(gè)工作面。

3.2　開采層頂板高抽巷

圖4為高抽巷抽采瓦斯情況。由圖4可以看出，工作面頂板初次來壓前，高抽巷瓦斯?jié)舛群统椴闪繕O小；工作面初次來壓后，高抽巷的抽采瓦斯?jié)舛群图兞侩S工作面的不斷推進(jìn)而增加，當(dāng)工作面推進(jìn)到91.6m時(shí)，瓦斯?jié)舛?9.4%，瓦斯純量33.3m3/min；當(dāng)工作面推進(jìn)170.6m時(shí)，高抽巷瓦斯?jié)舛冗_(dá)到23.8%，瓦斯純量26.9m3/min；在整個(gè)工作面回采期間，高抽巷抽采瓦斯?jié)舛绕骄鶠?6%，最高達(dá)26.3%，抽采純量平均為30.7m3/min，最大為60m3/min，取得了較好的本煤層采空區(qū)頂板卸壓瓦斯抽采效果。

圖4高抽巷抽采瓦斯情況

3.3　上隅角埋管

圖5為上隅角埋管抽采瓦斯情況。從圖5可以看出，工作面回采初期，隨工作面初次來壓和周期來壓及采空區(qū)空間增大，上隅角埋管抽采瓦斯?jié)舛戎鸩皆龃螅捎诘孛驺@井和頂板高抽巷抽采效果較好，采空區(qū)埋管瓦斯抽采量不大。當(dāng)工作面推進(jìn)至243.9m時(shí)，抽采瓦斯?jié)舛葹?.5%，瓦斯抽采純量為2.6m3/min，上隅角埋管抽采瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.2%，抽采瓦斯量平均為1m3/min，在一定程度上減少上隅角瓦斯積聚，保證工作面安全生產(chǎn)。

圖5上隅角埋管抽采情況

3.4　瓦斯綜合治理效果分析

圖6為1242(1)工作面回采期間瓦斯涌出及各抽采瓦斯抽采情況，從圖6可以看出，瓦斯涌出總量最高達(dá)123.5m3/min，平均為68m3/min，瓦斯抽采總量最大為115.3m3/min，平均為60.9 m3/min，其中高抽巷抽采瓦斯純量最大為60m3/min，平均為30.7m3/min，占瓦斯涌出量的45.2%；地面鉆井抽采瓦斯純量最大為59.7 m3/min，平均為28.7 m3/min，占瓦斯涌出量的42.2%。

圖6瓦斯涌出及抽采情況

圖7為工作面回采期間內(nèi)總回風(fēng)量與回風(fēng)流瓦斯?jié)舛取膱D7可以看出，1242(1)工作面在以地面鉆井抽采和開采層頂板高抽巷抽采為主，以順層鉆孔、上隅角埋管和底板巷密閉墻埋管等輔助瓦斯治理措施作用下，1242(1)工作面在回采期間，工作面回風(fēng)量2000～2300m3/min，回風(fēng)瓦斯?jié)舛鹊陀?.4%，平均為0.3%，有效控制了卸壓瓦斯涌入回采工作面。

圖7回風(fēng)瓦斯?jié)舛扰c總回風(fēng)量關(guān)系

由圖8可得，工作面瓦斯抽采率基本在80%以上，最高為93.3%，平均為87.4%。圖9為瓦斯抽采總量和煤炭日產(chǎn)量情況，1242(1)工作面日產(chǎn)煤量最高10572t，平均日產(chǎn)量5733t，累計(jì)抽采瓦斯量約2319.39萬m3，平均噸煤瓦斯抽采量15.5 m3/t，實(shí)現(xiàn)了深井煤層群煤與瓦斯安全高效共采。

圖8瓦斯抽采率

圖9瓦斯抽采總量及煤炭日產(chǎn)量

4主要結(jié)論

(1)深井煤層群首采下保護(hù)層開采時(shí)，地面鉆井是抽采動(dòng)上鄰近煤層采動(dòng)卸壓瓦斯有效方法。為避免單個(gè)地面鉆井高效抽采范圍波動(dòng)大的缺點(diǎn)，采用地面鉆井聯(lián)合布置，實(shí)現(xiàn)了1242(1)工作面回采期間，平均抽采濃度大于60%，平均抽采純量大于10m3/min，單井平均高效抽采范圍為227.5m。多井綜合抽采瓦斯純量最大為59.7 m3/min，平均為28.7 m3/min，占瓦斯抽采總量的47.2%，極大提高了鄰近層卸壓瓦斯抽采效果。

(2) 首采層工作面回風(fēng)巷頂板上方20～30m、水平5～30m是采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū)，采空區(qū)游離瓦斯和上部鄰近煤層采動(dòng)卸壓瓦斯會(huì)富集于此，頂板高抽巷貫穿整個(gè)工作面，抽采較為穩(wěn)定，是處理首采層工作面采空區(qū)瓦斯可靠方法。1242(1)工作面高抽巷抽采瓦斯純量平均30.7m3/min，最大60m3/min，平均抽采瓦斯?jié)舛?6.1%，最大為26.3%，抽采總量占工作面總絕對(duì)瓦斯涌出量的45.2%。

(3) 1242(1)工作面回采期間，采取以地面鉆井和高抽巷為主，采空區(qū)埋管為輔的卸壓瓦斯綜合抽采技術(shù)，采動(dòng)卸壓瓦斯得到及時(shí)高效抽采，工作面瓦斯抽采總量最大115.3 m3/min，工作面瓦斯抽采率平均87.4%，累計(jì)抽采瓦斯量2319.4萬m3，在工作面風(fēng)量約2300 m3/min條件下，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛鹊陀?.4%，實(shí)現(xiàn)深井高瓦斯煤層群首采層工作面安全高效開采。

參考文獻(xiàn)

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GasControl Technique for Firstly Mining Working Face of

Under Protective Layer in Deep-well with Coal Seams Group

SUN Hongmin,LU Ping,CHEN Yangyang

(Civil engineering school, Anhui Jianzhu University, Hefei 230022, China)

Abstract:Taking firstly mining 1242(1) working face of deep-well coal seams group in Zhuji Coal Mine for example, the comprehensive gas management with sub-source technology with the combination of surface well，high level drainage roadway and goaf gas pipe is proposed and implemented, pressure relief gas，roof and gas-rich region on the corner gas methane of overlying 13-1 coal seam extracted respectively. The Practice showed that, the average gas extraction of surface well and gas drainage of high level drainage roadway are 28.7m3/min and 30.7m3/min, which are accounting for 42.2% and 45.2% of the average absolute gas emission of 68.8m3/min, the gas drainage efficiency reaches up to 87.4% and the gas concentration of air return below 0.4%, and the production is realized with safety and efficiency. The research achievements have the guidance value for the gas control on similar firstly mining layer working faces.

Key words:under protective seam; stress relief gas; high level drainage roadway; surface well

中圖分類號(hào)：TD712

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2015)02-049-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150210

作者簡介：孫宏敏(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣こ谭罏?zāi)減災(zāi)理論與應(yīng)用。

收稿日期：2015-01-24