張書(shū)赟

(太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司,山西 婁煩 030300)

在綜采工作面初采初放期間,由于工作面采空區(qū)懸頂面積大,采空區(qū)內(nèi)積聚大量瓦斯,隨工作面向前推進(jìn),支架后方頂板會(huì)逐漸下沉并垮落,特別是出現(xiàn)頂板大面積垮落,此時(shí)采空區(qū)內(nèi)的瓦斯會(huì)被擠壓出來(lái)涌向工作面,導(dǎo)致工作面上隅角及其回風(fēng)流瓦斯超限,影響安全生產(chǎn)[1-3]。為了找出解決綜采工作面初采初放瓦斯治理的合理辦法,通過(guò)對(duì)4202工作面初采初放期間瓦斯治理效果進(jìn)行分析,研究綜采工作面初采初放期間瓦斯治理技術(shù)。

1 工作面概況

1.1 工作面井下位置及四鄰采掘情況

4202工作面西側(cè)為4條主要大巷:北輔運(yùn)大巷、北一回風(fēng)大巷、北膠帶大巷、北二回風(fēng)大巷;北部為龍泉鐵路專用線保護(hù)煤柱;東部為太興鐵路、村莊保護(hù)煤柱;南部為4201工作面(回采結(jié)束)。

1.2 工作面參數(shù)

4202工作面走向長(zhǎng)度2 377 m,傾斜長(zhǎng)度為215 m,可采長(zhǎng)度1 264 m,面積51.11 ha,煤平均厚度為6.47 m,工作面傾角6°～8°,工業(yè)儲(chǔ)量為258.5萬(wàn)t,回采率為82.1%,可采儲(chǔ)量為212.3萬(wàn)t。

1.3 工作面瓦斯地質(zhì)情況

4202工作面所采煤層為4號(hào)煤,位于太原組頂部,煤厚6.2 m ～ 7.4 m,平均6.47 m。煤層形態(tài)較穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,含夾石1層～2層。該工作面原煤瓦斯含量為6.64 m3/t,經(jīng)瓦斯預(yù)抽后瓦斯可解析量最大為1.62 m3/t。經(jīng)山西省煤礦安全設(shè)備檢測(cè)檢驗(yàn)中心鑒定,該煤層自燃傾向性為Ⅱ類自燃,具有爆炸性。

2 瓦斯治理措施

2.1 通風(fēng)方面

2.1.1 通風(fēng)系統(tǒng)

1)4202工作面初采時(shí)采用“U”型通風(fēng)方式,風(fēng)流路線如下:

2)4202工作面回采前,在31#橫川靠近4202膠帶順槽側(cè)以及4202回風(fēng)順槽靠近30#橫川里幫施工擋風(fēng)墻,此后隨工作面往前推進(jìn)且后溜推過(guò)回風(fēng)橫川時(shí),提前啟封下一個(gè)橫川,并在4202回風(fēng)順槽靠近下一個(gè)橫川里幫和回風(fēng)橫川靠近4202膠帶順槽側(cè)各施工一道磚墻密閉(500 mm),保證在工作面推進(jìn)期間無(wú)采空區(qū)通風(fēng)現(xiàn)象。工作面推進(jìn)過(guò)程中在上隅角每隔5 m施工一道黃土墻。圖1為4202工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖。

圖1 4202工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Ventilation system of No.4202 working face

2.1.2 風(fēng)量分配

1)根據(jù)臨近工作面初采時(shí)最大瓦斯涌出量、《4202工作面瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評(píng)判報(bào)告》瓦斯可解析量以及4202工作面日產(chǎn)量,預(yù)計(jì)4202工作面初采初放期間最大絕對(duì)瓦斯涌出量為22.41 m3/min左右。

2)最終工作面總回風(fēng)至少配至3 100 m3/min。

3)隨著工作面回采,根據(jù)瓦斯涌出量的實(shí)際變化情況和瓦斯抽采效果,隨時(shí)調(diào)整工作面配風(fēng)量。

2.1.3 通風(fēng)設(shè)施

1)通風(fēng)構(gòu)筑物的設(shè)置應(yīng)堅(jiān)固穩(wěn)定,并加強(qiáng)管理,及時(shí)進(jìn)行檢查和維修。

2)加強(qiáng)風(fēng)門(mén)、密閉的日常巡檢、維護(hù)管理工作,每組風(fēng)門(mén)均設(shè)置閉鎖裝置,保證兩道風(fēng)門(mén)不能同時(shí)打開(kāi),防止風(fēng)流短路[4]。

2.2 瓦斯抽采

1)在4202膠帶順槽和4202輔運(yùn)順槽抽放管路Φ323.9 mm,4202回風(fēng)順槽管路Φ377 mm管路,3條順槽中管路均為螺旋縫埋弧焊鋼管,4202膠帶順槽與4202輔運(yùn)順槽管路連接至北一回風(fēng)大巷Φ660 mm高負(fù)壓抽采主管路,4202回風(fēng)順槽管路連至Φ508 mm低負(fù)壓抽采主管路。

2)在4202膠帶順槽和4202輔運(yùn)順槽雙向施工順層長(zhǎng)鉆孔,孔深140 m,孔徑75 mm,孔間距3 m,對(duì)工作面進(jìn)行預(yù)抽。

3)在4202膠帶順槽上隅角向采空區(qū)敷設(shè)兩趟抽采支管路,并將支管路并到主管路上,隨著工作面推進(jìn)將支管路交替斷開(kāi)并接入所施工的土袋墻內(nèi);在4202回風(fēng)順槽正巷閉向采空區(qū)敷設(shè)一趟抽采支管路,并將支管路并到主管路上,以便及時(shí)進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采[5]。

4)工作面回采期間,若4202工作面上隅角處瓦斯?jié)舛容^高,無(wú)法更好的通過(guò)風(fēng)排解決瓦斯情況時(shí),可在4202膠帶順槽靠近煤壁施工采空區(qū)裂隙帶高位鉆孔,每個(gè)鉆場(chǎng)布置6個(gè)鉆孔,鉆孔間距1 m,孔深130 m,三花布置。

5)根據(jù)初采情況,及時(shí)了解4202膠帶千米鉆場(chǎng)瓦斯情況,利用預(yù)先施工好的定向千米鉆孔解決上隅角瓦斯。

3 瓦斯治理效果分析

3.1 工作面初采情況及瓦斯涌出量

4202工作面自2017年8月1日開(kāi)始初采,截止到8月31日機(jī)頭推進(jìn)55 m,機(jī)尾推進(jìn)51.5 m,平均53.3 m,由于千米鉆孔濃度已趨于穩(wěn)定,約為3.0 m3/min,認(rèn)為該面初采初放工作已經(jīng)結(jié)束工作面在初采初放期間,每天對(duì)工作面推進(jìn)度、風(fēng)量、瓦斯?jié)舛?、抽采瓦斯量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),具體情況如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 4202工作面甲烷傳感器布置示意圖Fig.2 Layout of methane sensors on No.4202 working face

圖3 工作面推進(jìn)度與絕對(duì)瓦斯涌出量關(guān)系Fig.3 Relationship between working face advancing and absolute gas emission

圖4 瓦斯涌出量走勢(shì)圖Fig.4 Gas emission trend chart

3.2 工作面初采期間瓦斯治理技術(shù)分析

通過(guò)其分析將工作面初采初放分為初采前期、初采中期、初采后期。

3.2.1 初采前期

4202工作面在初采前,通過(guò)預(yù)測(cè)初采期間瓦斯涌出量,將工作面總風(fēng)量配至3 952 m3/min,其中工作面切眼風(fēng)量為1 926 m3/min。工作面從8月1日開(kāi)始初采至8月5日期間瓦斯?jié)舛茸畲骉0為0.38%,T1為0.58%,T中為0.38%,此期間工作面直接頂基本上未垮落,主要通過(guò)風(fēng)排進(jìn)行瓦斯治理[6]。

3.2.2 初采中期

1)4202工作面在8月6日時(shí)T5為0.56%、T中為0.46%,分析預(yù)測(cè)直接頂開(kāi)始垮落將采空區(qū)大量瓦斯排出,此時(shí)工作面機(jī)頭推進(jìn)度為19.7 m,機(jī)尾推進(jìn)度為12.3 m,平均推進(jìn)度為16 m。到8月8日時(shí)絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到最大,最大絕對(duì)瓦斯涌出量為37.03 m3/min,其中甲烷傳感器瓦斯?jié)舛茸畲鬄?T5Max為0.72%,T中Max為0.66%,T2Max為0.62%,T6Max為0.60%。分析預(yù)測(cè)直接頂大面積全部垮落(現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)情況:除機(jī)頭端頭架外全部正?？迓?此時(shí)工作面機(jī)頭推進(jìn)度為22.7 m,機(jī)尾推進(jìn)度為14.1 m,平均推進(jìn)度為18.4 m。此期間仍然通過(guò)風(fēng)排解決瓦斯涌出,因此通過(guò)增大工作面配風(fēng)量來(lái)治理瓦斯,確保初采期間安全生產(chǎn)[7]。

2)由于直接頂開(kāi)始垮落,瓦斯?jié)舛壬仙?采取相應(yīng)措施防止瓦斯超限:通過(guò)調(diào)節(jié)4202回風(fēng)順槽巷口插板墻通風(fēng)口;并檢查、維護(hù)4202膠帶順槽與4202回風(fēng)順槽之間的聯(lián)絡(luò)橫川通風(fēng)設(shè)施減小漏風(fēng),來(lái)提高工作面配風(fēng)量,最終工作面風(fēng)量為4 360 m3/min,其中工作面切眼風(fēng)量為2 036 m3/min;及時(shí)對(duì)進(jìn)風(fēng)隅角進(jìn)行退錨處理,并施工風(fēng)障減少采空區(qū)漏風(fēng);在上隅角施工土袋墻并埋設(shè)抽采管路,及時(shí)對(duì)上隅角進(jìn)行瓦斯抽采。

3.2.3 初采后期

4202工作面在8月21日,4202膠帶順槽1#處千米鉆孔濃度開(kāi)始增大,最大達(dá)到5.63 m3/min,且工作面風(fēng)排瓦斯量明顯下降。分析預(yù)測(cè)老頂開(kāi)始垮落(老頂初次來(lái)壓),此時(shí)工作面機(jī)頭推進(jìn)度為40 m,機(jī)尾推進(jìn)度為33.2 m,平均推進(jìn)度為36.6 m。此期間主要通過(guò)風(fēng)排以及千米鉆孔解決瓦斯涌出[8-9]。

3.3 千米定向鉆孔

3.3.1 千米定向鉆孔最佳的層位

工作面老頂初次跨落后,千米鉆場(chǎng)4組鉆孔濃度均增大,如表1所示。

表1 千米定向鉆孔觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Observational data of Kilometer directional drilling

通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)最佳鉆孔是4#千米鉆孔,得出最佳層位是距頂板高度64 m～65 m處,以后工作面頂板合適層位施工千米鉆孔奠定基礎(chǔ)。

3.3.2 存在的問(wèn)題

由于千米定向鉆孔在頂板裂隙帶施工,綜采工作面在初次來(lái)壓之前工作面采空區(qū)上覆巖層與千米鉆孔之間未形成裂隙通道[10],抽放瓦斯困難,千米鉆孔不能充分發(fā)揮作用,極易造成工作面及回風(fēng)流瓦斯超限。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)初采期間加強(qiáng)瓦斯檢查,及時(shí)調(diào)整風(fēng)量,加強(qiáng)進(jìn)風(fēng)隅角頂板管理并及時(shí)退錨,減少采空區(qū)漏風(fēng)。

2)加強(qiáng)工作面預(yù)抽工作,降低原煤瓦斯含量。在工作面初采前,做好工作面瓦斯參數(shù)測(cè)定,為初采提供可靠的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)預(yù)測(cè)配足風(fēng)量,確保工作面初采安全生產(chǎn)。

3)通過(guò)預(yù)測(cè)的垮落步距,在工作面推進(jìn)度到達(dá)垮落步距前,提前做好瓦斯防治工作。

4)通過(guò)預(yù)測(cè)得出的直接頂垮落步距,以及初采時(shí)采高數(shù)據(jù),在“U”型通風(fēng)系統(tǒng)工作面需要提前使用普鉆施工頂板中位鉆孔。預(yù)測(cè)在工作面推進(jìn)度大約9 m～10 m,距煤層頂板大約25 m～35 m的位置處施工頂板中位孔,解決直接頂初次垮落時(shí)的瓦斯突然涌出。

5)做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集工作,為今后生產(chǎn)過(guò)程中瓦斯治理提供數(shù)據(jù)支持。