桃山煤矿采煤工作面瓦斯综合抽放技术研究

曲宏伟

(龙煤控股集团七台河分公司桃山煤矿,黑龙江 七台河 154600)

七煤集团桃山煤矿 1958年建成投产,设计能力为 75万 t/年,根据瓦斯鉴定的结果,为高瓦斯矿井,随着开采深度和强度的不断加大,该矿一采区二水平瓦斯涌出量异常增大,严重制约采煤工作面的正常生产,在采区生产过程中经常出现采煤上巷回风流中瓦斯超限、采煤上隅角及工作面瓦斯超限,影响采煤面的安全生产。

42017工作面为一采区三水平 85#左一片,走向长 1 100m,倾斜宽度为 140m,工作面可采储量为 14万 t,煤层倾角为 21°～24°,煤层厚度为0.65～1.0m,平均厚度为 0.82 m,工作面标高为 -488.13～-428.13m,垂深为 -675 m,直接顶为灰黑色粉砂岩、厚度为 1.2 m,老顶为中砂粉细砂岩,厚度为3.75m,底板为黑色粉砂岩,厚度为1.27m。

1 覆岩瓦斯运移规律与瓦斯源分析

1.1 覆岩瓦斯运移规律分析

1)沿工作面推进方向,关键层下离层动态分布呈现两阶段发展规律,即关键层初次破断前,随着工作面推进,离层量不断增大,最大离层位于采空区中部。

初次破断后,关键层在采空区中部离层趋于压实,而在采空区两侧仍各自保持一个离层区。从平面看,在采空区四周存在沿层面横向连通的离层发育区,称采动裂隙“O”形圈。

2)沿顶板高度方向,随工作面推进离层呈跳跃式由下往上发展。

3)贯通的竖向裂隙是瓦斯涌入工作面的通道,在开采初期,下位关键层的破断运动对“导气”裂隙从下往上发展的动态过程起控制作用。当采空区面积达一定值后,“导气”裂隙的分布也同样呈“O”形圈特征,它是正常回采期间邻近层卸压瓦斯流向采空区的主要通道,瓦斯钻孔正是利用瓦斯这一运移规律。

1.2 矿井瓦斯源分析

桃山煤矿一采区 85#层左一片瓦斯含量,随着埋深增加而显著增大。而煤层的围岩透气性差,煤层变质程度好,挥发分高,也是造成本煤层瓦斯富含量高的主要原因。

42017采面及回风瓦斯浓度监测结果为：工作面不生产时风流瓦斯浓度一般为 0.5%,回风流瓦斯浓度达到 0.7%～0.8%,上隅角处瓦斯浓度 1.2%～1.6%,造成回风瓦斯升高 0.2%～0.3%,这部分瓦斯主要是由于煤体瓦斯含量高,从煤体中释放出飘散到软帮支护空间,随着工作面风流进入上隅角,回风、隅角成为采空区瓦斯的集中涌出源,另外,相对于空气密度来说采空区含瓦斯空气的密度较小,从而产生瓦斯风压的自然上升力,必然使采空区内含高浓瓦斯的空气向回风、隅角运移。使回风、隅角成为采空区高浓瓦斯集中涌出的地点,从而采煤工作面回流瓦斯浓度增大。当采煤机割煤时,采煤机下部煤层的瓦斯得到释放,大量的瓦斯不断涌出,随着采煤工作面风流进入回风隅角、回风巷,从而使工作面及回风流瓦斯浓度进一步增高,造成随时都可能超限的状态,给安全生产带来了极大的隐患。

2 桃山矿回采工作面瓦斯抽放技术

为防止一采区 42017瓦斯经常超限影响正常生产,该矿提出全方位立体式抽放瓦斯综合技术措施。

2.1 高位水平长距离钻孔抽放

根据 85#层左一片煤层瓦斯涌出规律及顶底板围岩特点,确定在本工作面上巷布置 4个钻场,间距分别为 130m、210m、177m、162m,钻场规格为：5m×4m ×2.2m(长 ×宽 ×高),钻场施工 3个钻孔,钻孔间距 0.5m,钻孔终孔位置深入到顶板裂隙带中,顶板裂隙带位于煤层底板的法线距离 8m,裂隙带不会因岩层活动的影响而中断抽放效果,并考虑到 2个钻场各钻孔的压茬取 25m,钻孔的终孔位置必须在钻孔的抽放半径 20m以内,沿煤层倾角作扇形布置：1#钻孔平行于上巷,2#钻孔抽放半径 15m以内,3#钻孔抽放半径 20m以内。1#钻孔水平角为 0°,2#钻孔水平角为 4°,3#钻孔水平角为 6°。

2.2 密集孔大直径抽排

针对高位钻场原设计 3个钻孔的实际情况,考虑到抽放泵还有一定的抽放能力,决定在第二个钻场施工钻孔时,将原来的 3个钻孔增至 9个,将原来的孔径 d94扩大到 d193,1#～3#钻孔的抽放半径不变,4#钻孔在抽放半径 10 m内,5#钻孔在抽放半径 12 m内,6#钻孔在抽放半径 16 m内,7#钻孔在抽放半径17m内,8#钻孔在抽放半径 18m内,9#钻孔在抽放半径 19m内;1#～3#钻孔与上巷的水平角度不变,4#钻孔与上巷水平角度为 2°,5#钻孔与上巷水平角度为3°,6#钻孔与上巷水平角度为 3.8°,7#钻孔与上巷水平角度为 4.2°,8#钻孔与上巷水平角度为 4.6°,9#钻孔与上巷水平角度为 5°;孔深 240m。

2.3 仰角钻孔抽放

为了更好地加大采场瓦斯抽放效果,决定在工作面上巷距超前支护外 40m处再布置仰角钻场,共施工 10个钻场,间距 30m,每个仰角钻场施工 6个抽放钻孔,钻孔间距为 0.5m,增加围岩的透气性,为保证钻孔的抽放浓度,钻孔终孔位置必须深入顶板裂隙带中,根据经验计算,85#层顶裂隙带位于距煤层底板法线距离 8 m,钻孔的终孔位置在抽放半径20m以内。

确定 6个钻孔呈扇形布置,1#外孔尽量平行上巷,2#钻孔在抽放半径 4m以内,3#钻孔在 8m以内,4#钻孔 12m以内,5#钻孔 16m以内,6#钻孔 20m以内。1#钻孔与上巷接近平行,2#钻孔与上巷水平夹角为 4°,3#钻孔与上巷水平夹角为 8.2°,4#钻孔与上巷水平夹角为 12.3°,5#钻孔与上巷水平夹角为 16.2°,6#钻孔与上巷水平夹角为 19.9°。

2.4 工作面短孔先注水后抽排瓦斯

煤壁短孔注水是防治瓦斯突出的有效措施,42017采煤面开采过程中,在工作面距下巷 50～60m处为瓦斯压力集中区,因此,决定在 42017采煤工作面距下巷 30m处往上打瓦斯抽放钻孔,孔深为 3m,钻孔直径为 42mm,孔间距 1.5m,工作全长 140m,在倾斜 110m区段中施工,用 15M Pa压力注水,用特殊封孔器封孔,每孔注水 5m in,注水量约为 300 kg,上一个孔注水效果以下一个孔出水为标准,通过钻孔注水后,使其渗入煤体的内部后使煤体得到均匀湿润,同时又由于采煤工作面向前推进过程中,顶板周期来压等变化,上覆岩层的垂直应力动力分布,集中应力对采煤工作面煤体进行破坏,使工作面前方煤体透气性增强,利用 d159钢线软管联接到上巷采空区埋管上进行抽放,在实行工作面短孔注水,后抽排瓦斯措施后,降低了生产过程中的瓦斯涌出量,生产过程中的回风流瓦斯浓度和瓦斯涌出量大大降低。

3 结 论

通过对 42017采煤工作面采取综合治理措施,大大降低了回风流中的瓦斯浓度及工作面瓦斯涌出量,抽放流量 20m3/m in,瓦斯浓度 15%～20%,上隅角瓦斯浓度在 1.5%以下,有效解决上隅角、回风巷瓦斯超限问题。尤其短孔注水湿润煤体同时,还起到有效防尘的作用。该工作面产量大幅度上升,采煤面由日产 600 t提高到日产 950 t,瓦斯治理效果明显,为今后煤矿深部开采治理瓦斯积累一定的经验。