秦曉偉
(山西高河能源有限公司,山西 長治 047100)
工作面隅角懸頂[1-2]極易引起瓦斯積聚,制約工作面安全生產(chǎn),特別是對于高瓦斯礦井而言,懸頂?shù)陌踩[患更高。廣大工程技術(shù)人員對退錨、爆破放頂、水力壓裂等技術(shù)進行了廣泛實踐,均取得一定成果[3-6]。采用二氧化碳氣相致裂放頂技術(shù)處理隅角懸頂較少,其具有施工快捷、適應(yīng)性強等特點,特別是對于工作面局部區(qū)域懸頂處理具有獨特優(yōu)勢。
高河能源E2308 工作面為東二盤區(qū)工作面,北面為E2309 工作面,南面臨E2307 工作面采空區(qū),西面接+450 m 水平北翼大巷。E2308 工作面切眼長335 m,膠帶順槽全長1255 m,與進風(fēng)順槽相距285 m,與回風(fēng)順槽相距335 m;進風(fēng)順槽全長1255 m,與回風(fēng)順槽相距45 m;回風(fēng)順槽全長1305 m。E2308工作面開采3號煤層,煤層均厚6.8 m,傾角平均3°;綜采放頂煤開采,工作面采高3.5 m,放煤高度3.3 m。煤層直接頂為泥巖,厚2.8 m;老頂為砂質(zhì)泥巖-細砂巖,厚13.6 m;直接底為粉砂巖,厚3.7 m。該工作面整體處于向斜東翼,內(nèi)有Fe124、Fn106 兩個正斷層。高河能源為高瓦斯礦井,E2308 工作面經(jīng)抽采后瓦斯含量為5.688 3 m3/t,可解吸瓦斯含量為3.618 5 m3/t。工作面布置如圖1。
圖1 工作面布置圖
E2308 工作面膠帶順槽、進風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽均沿煤層底板掘進,膠帶順槽凈寬5.2 m,凈高3.6 m,采用錨網(wǎng)支護,頂板每排7 根錨桿,間排距800 mm×900 mm,采用錨索補強,“三三”布置,間排距為1400 mm×1800 mm;進風(fēng)順槽凈寬5.2 m,凈高3.9 m,頂板每排7 根錨桿,間排距為800 mm×900 mm,采用錨索補強,“三三”布置,間排距1400 mm×900 mm;回風(fēng)順槽凈寬4 m,凈高3.7 m,頂板每排6 根錨桿,間排距800 mm×900 mm,采用錨索補強,“三三”布置,間排距1200 mm×1800 mm。
在工作面生產(chǎn)過程中,檢修班每天將膠帶順槽排頭1#架后柱至老塘段頂板錨索托盤退去,為防止回風(fēng)順槽老塘大面積垮落,將頂板靠近老塘一側(cè)的錨索托盤退去,將進風(fēng)順槽巷道靠近工作面的兩排頂板錨索托盤退去。根據(jù)工作面隅角懸頂垮落情況,在現(xiàn)場生產(chǎn)過程中,采用退錨和剪網(wǎng)等措施后,膠帶順槽和回風(fēng)順槽隅角懸頂極易超過10 m2,需進行壓裂放頂。
工作面隅角懸頂較大時,在膠帶和回風(fēng)順槽三角區(qū)老塘范圍內(nèi),不超過后溜電機所在三角區(qū),施工二氧化碳氣相壓裂鉆孔。鉆孔施工區(qū)域位于工作面后溜三角區(qū)靠老塘側(cè)第一排與第二排之間距巷幫500 mm 處,開孔位置需避開錨索、錨桿,間距300 mm 以上,每次施工一組,共計5 個二氧化碳氣相壓裂鉆孔,鉆孔直徑75 mm。鉆孔布置如圖2。
圖2 壓裂鉆孔布置示意圖
(1)鉆孔角度
為方便鉆孔施工,設(shè)計二氧化碳致裂鉆孔平行巷道軸向向老塘方向施工,鉆孔仰角為75°。
(2)鉆孔深度
二氧化碳壓裂主要是破壞巷道頂煤的完整性,使其及時充分垮落,根據(jù)巷道頂板煤層厚度,為保證放頂效果,二氧化碳氣相壓裂鉆孔垂直深度不小于頂煤高度,即壓裂鉆孔深度不小于3.5 m。
(3)鉆孔間距
二氧化碳氣相壓裂技術(shù)是利用液態(tài)二氧化碳瞬間氣化,體積膨脹作用于鉆孔孔壁,致使巖體開裂弱化。因此,初步確定二氧化碳氣相壓裂鉆孔間距為1.5 m。
(1)設(shè)置警戒和氣體監(jiān)測
二氧化碳致裂鉆孔施工前,在作業(yè)地點5 m 范圍內(nèi)設(shè)置警戒,嚴(yán)禁非作業(yè)人員進入;并由瓦檢員對現(xiàn)場的瓦斯、一氧化碳、二氧化碳等有毒有害氣體進行檢測。
(2)頂板加強支護
為保證作業(yè)地點頂板安全,需加強對作業(yè)區(qū)域頂板維護:① 掛網(wǎng)防護。在最后一排單體柱老塘側(cè)掛一道全斷面防護網(wǎng)(10#鐵絲網(wǎng)),網(wǎng)片采用對接方式,聯(lián)網(wǎng)間距100 mm,采用16#鐵絲雙絲三扣綁扎牢固,防止壓裂后頂板煤體垮落涌入巷道。②加密支護。在E2308 機頭或機尾老塘側(cè)最后一排單體柱中間和靠近排頭1#架處,加設(shè)2 根單體柱。③單體柱戧柱支護。對最后一排單體柱π 型梁打設(shè)單體柱戧柱2 根。
(3)壓裂鉆孔施工
按照鉆孔設(shè)計參數(shù)進行施工。
(4)推進壓裂桿和連接桿
鉆孔施工完畢后,壓裂人員將1 根壓裂桿推入孔底,然后依次連接若干根連接桿至巷道底板位置處,連接桿桿底與巷道底板間距使用短接連接,末端用道木頂住,在道木另一側(cè)底部打設(shè)1 根單體柱,并保證接頂牢固;將連接桿上拉環(huán)與單體柱把手使用鐵鏈連接、拉近。
(5)氣相壓裂
進行二氧化碳氣相壓裂按照以下步驟進行:①壓裂前,按照警戒示意圖拉設(shè)警戒線,清除警戒區(qū)域人員,嚴(yán)禁人員進入;② 壓裂小組人員將壓裂桿導(dǎo)線與壓裂母線連接,將壓裂母線牽引至警戒點處,進行導(dǎo)通試驗,確保連接無誤;③ 由瓦檢員檢測現(xiàn)場瓦斯?jié)舛鹊陀?.8%,CO2濃度低于1.5%后將作業(yè)點50 m 以內(nèi)傳感器、電話以及壓裂母線后移至警戒線外;④ 現(xiàn)場跟班指揮人員下達引發(fā)指令后氣相壓裂作業(yè)人員進行遠距離作業(yè),引發(fā)壓裂設(shè)備。
(6)壓裂器材回收升井
壓裂結(jié)束后,將壓裂桿末端的道木取出,依次取下短接、連接桿和壓裂桿,若壓裂桿不能正常取出或頂板煤體垮落導(dǎo)致壓裂桿被煤體壓死,則使用連接桿上鐵鏈拉出。之后將回收的所有壓裂器材人工運輸至裝卸料點,裝入壓裂器材專用箱后升井。
E2308 工作面在生產(chǎn)過程中,共計26 個區(qū)域存在隅角懸頂超10 m2的情況,均采用了二氧化碳氣相壓裂技術(shù)進行放頂。放頂結(jié)束后,對隅角懸頂進行觀測,工作面割煤移架后,懸頂開始逐步垮落,移架2~4 次后,隅角懸頂能夠大范圍垮落,懸頂面積明顯減小,約5 m2,滿足規(guī)程要求,降低隅角瓦斯積聚的風(fēng)險。
結(jié)合高河能源E2308超長綜放工作面實際情況,在工作面兩側(cè)隅角懸頂面積超過10 m2區(qū)域,采用二氧化碳氣相壓裂技術(shù)對隅角懸頂進行弱化處理,共計處理26 處,并對回采過程中的懸頂垮落情況進行觀測。割煤移架后懸頂逐步垮落,移架2~4次后,隅角懸頂能夠大范圍垮落,降低了隅角瓦斯積聚的風(fēng)險,保證了工作面安全生產(chǎn)。