力尚全 龐葉青

1 礦井和工作面概況

塔山煤礦是同煤集團開采石炭二疊系煤層的第一座特大型現代化礦井。井田走向長度24.3 km，傾向寬度11.7 km，面積170.9 km2?？刹擅簩?層，分別是山4#、2#、3#、5#、8#層。主采煤層石炭系 3～5#煤層，埋深500 m左右，煤層平均厚度15 m，賦存穩(wěn)定。2009年后，礦井瓦斯等級鑒定結果均為高瓦斯礦井。2016年礦井瓦斯等級鑒定為礦井相對瓦斯涌出量2.05 m3/t，絕對瓦斯涌出量97.58 m3/min。塔山煤二盤區(qū)8204工作面煤層平均厚度14.35m，煤層傾角3～5°，工作面長度207 m，走向長度1020 m，采用U型通風，日產煤量3.2萬 t。工作面瓦斯含量平均為 2.39 m3/t，最高3.232 m3/t，煤層瓦斯壓力小，最大 0.245 MPa，透氣性差，透氣性系數為 1.108-1.132 m2/(MPa2?d)，鉆孔抽放流量衰減快，瓦斯流量衰減系數為 0.572～0.643 d-1。與8204工作面相鄰的8202工作面絕對瓦斯涌出量30～40 m3/min，生產期間工作面上隅角甲烷濃度0.6～0.8%，回風流甲烷濃度0.4～0.6%。

2 工作面瓦斯涌出規(guī)律

塔山礦特厚煤層綜放開采，采空區(qū)空間大，遺煤相對較多，頂板不能隨著頂煤的碎裂、采出而及時充分跨落，形成的空洞內積聚大量瓦斯。工作面推進過程中頂板跨落，空洞內瓦斯瞬時被大量擠出，再加上高強度開采落煤時解吸的瓦斯，表現出“低瓦斯賦存，高瓦斯涌出”的特點[1-3]。利用束管檢測系統(tǒng)在工作面進、回風順槽向工作面采空區(qū)埋管，進行氣體連續(xù)取樣監(jiān)測，得出采空區(qū)瓦斯分布狀態(tài)，如圖1所示。

圖1 8204采空區(qū)內甲烷濃度分布曲線

塔山礦嘗試過頂板巷和上隅角埋管抽放采空區(qū)瓦斯的治理方法，但無法解決頂板周期來壓期間上隅角瓦斯超限問題。通過對大量觀測數據的統(tǒng)計分析得出，塔山礦特厚煤層工作面開采過程中，隨著采空區(qū)頂板周期來壓的變化，工作面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓卣鞅憩F為“速升－快減－緩降”三階段過程[10-14]，其中速升時間持續(xù)短，瓦斯?jié)舛妊杆龠_到峰值，峰值出現時間晚于頂板跨落時間。如圖2所示。

圖2 頂板運動時瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律曲線

特厚煤層綜放工作面頂板塌落造成采空區(qū)高濃度瓦斯在瞬間涌向工作面，造成瓦斯嚴重超限[4-9]。工作面瓦斯源的測試分析得出：超過90%的瓦斯來源于采空區(qū)，控制采空區(qū)瓦斯向工作面的大量涌出是瓦斯治理的關鍵。

3 地面垂直鉆孔抽放瓦斯實踐

3.1 地面垂鉆孔抽放瓦斯方案

塔山礦從礦井投產后，就不斷探索研究工作面瓦斯治理新技術，鉆孔預抽本煤層瓦斯效果不理想，頂板抽放巷大流量抽放、截留上隅角后部采空區(qū)瓦斯的方法取得良好效果，但是在應用過程中依然存在不足，通過理論研究和分析，依據頂板抽放巷的技術原理，研究制定了地面大直徑垂直鉆孔替代頂板抽放巷的瓦斯治理技術方案。[15]

3.2 地面垂直鉆孔設計

首先在8204工作面進行地面垂直鉆孔抽放瓦斯的工程試驗，沿工作面走向320 m范圍內按孔距50米布置7個垂直鉆孔，首孔距工作面切眼32 m，鉆孔垂直位置內錯5204巷15～30 m；鉆孔深約500 m，孔底距3～5#煤層底板10 m。鉆孔結構：地表下120 m孔徑425 mm，下管徑355 mm護孔鋼管，地表下120 m至終孔點孔徑311 mm，為裸孔。鉆孔參數見表1。

表1 地面垂直鉆孔布置參數表

3.3 瓦斯抽放系統(tǒng)及運行情況

瓦斯抽放泵站布置在塔山礦二風井地面，抽放泵選擇兩臺2BEC120型抽放泵，額定流量為1275 m3/min，地面垂直鉆孔抽放主管路為DN900鋼管，主管路通過DN300支管路與鉆孔套管連接。

圖4 地面垂直鉆孔平面示意圖

表2 鉆孔抽放系統(tǒng)運行情況

4 瓦斯抽放治理效果與分析

選取8204工作面開采一個月期間推進位置0～

142 m、對應1#鉆孔和2#鉆孔的瓦斯抽放數據，得出瓦斯?jié)舛鹊淖兓€如圖5所示。

圖5 1#、2#垂直鉆孔抽放瓦斯量曲線

通過分析可知：

1）隨著工作面開采逐漸接近地面垂直鉆孔，鉆孔超前工作面距離15 m后，鉆孔抽放甲烷濃度由1%開始快速上升，當工作面煤壁對應鉆孔位置時，甲烷濃度達到28.7%，圖中①階段。之后甲烷濃度逐漸降低，當鉆孔遠離工作面煤壁40 m時，濃度降低至5%左右，圖中②階段。

2）地面鉆孔抽放瓦斯可分為三個階段。第一階段：鉆孔超前工作面距離大于15 m，抽放未受采動影響煤體瓦斯，由于透氣性差，甲烷濃度較低，約1%；第二階段，鉆孔超前工作面距離小于15 m后，甲烷濃度隨工作面推進快速上升，表明抽到煤巖體采動裂隙區(qū)瓦斯；第三階段：工作面推過鉆孔后，抽放采空區(qū)內高濃度瓦斯并維持較長的推進距離，距離超過40 m后，濃度降低至約5%。鉆孔抽放瓦斯第三階段后期，相鄰的下一個鉆孔已經開始接替到位。

3）地面大直徑垂直鉆孔大流量抽放特厚煤層綜放工作面瓦斯技術，提高了瓦斯抽采率，改變了采空區(qū)瓦斯流場，控制了工作面瓦斯的瞬時大量涌出，大幅度降低了回風及上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

塔山礦采用地面垂直鉆孔抽放8204綜放工作面瓦斯期間，工作面瓦斯涌出量顯著降低，消除了由于頂板塌落產生的采空區(qū)瓦斯瞬間大量涌出事故，上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.4%～0.8%之間，回風流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.2%～0.4%之間。目前，地面大直徑垂直鉆孔抽放瓦斯治理技術已經在塔山礦8201、8101、8203得到推廣應用，且效果良好。

5 結論

1）塔山礦低瓦斯含量、低透氣性煤層，采用地面垂直鉆孔抽放超前綜放工作面煤巖體采動裂隙區(qū)瓦斯，和工作面上隅角后上方采空區(qū)瓦斯，抽放甲烷濃度最高可達28.7%，鉆孔位于工作面煤壁前后15米范圍抽放效果最好。

2）特厚煤層綜放工作面，采用地面大直徑垂直鉆孔抽放瓦斯治理技術，避免了工作面高強度開采與瓦斯治理工程在時間和空間上的矛盾，改善礦井安全生產環(huán)境，是工作面瓦斯治理新的技術途徑。

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