顶板高位抽放技术在瓦斯治理中的应用

周连春

(神华乌海能源有限责任公司通风管理部,内蒙古 014010)

1 前言

神华集团乌海能源有限责任公司平沟煤矿坐落在内蒙古乌海市海渤湾区卡布其,矿井核定生产能力为1.2Mt/a;该矿通风方式为分区抽出式通风,每个盘区在浅部开一个回风井。该矿采用两井筒进风,即一、二号副井同时入风,各盘区上山回风。平沟煤矿的矿井绝对瓦斯涌出量为44.275m3/min,根据2011年新出版的《煤矿安全规程》第一百三十三条规定：“矿井的相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min时就是高瓦斯矿井”可以判定平沟煤矿为高瓦斯矿井,因此必须在矿井通风合理的基础上加强矿井的瓦斯综合抽放才能确保矿井的安全生产。为了有效治理瓦斯,该矿除了优化矿井通风系统外,还采取了区域性预抽本煤层瓦斯、采空区埋管抽放瓦斯等综合抽放瓦斯的措施,对矿井瓦斯进行了有效治理,基本上保证了工作面的安全生产。但由于煤层地质条件复杂,尤其是采煤工作面采煤时产生的大量瓦斯运移到顶板的裂隙带中,并随顶板的跨落进入采空区及上隅角,从而造成工作面上隅角及采空区聚积大量瓦斯严重制约工作面的安全生产。针对这种情况,该矿积极探索瓦斯抽放新工艺、新方法,采取了在回风顺槽打顶板高位抽放钻孔的方法对工作面的瓦斯进行了有效地治理,取得了较好的社会和经济效益,保证了采煤工作面安全、高效、稳定地生产。

2 1606采煤工作面概况

1606工作面位于二盘区下组煤南部,该工作面北至下组煤南部风道保安煤柱,南至F9断层断保煤柱,东至本层1604采空区2m,以西本层未动。上覆9-2#层、10#煤层采空区。该工作面煤层平均厚度2.68m,工作面平均长度为266m,推进长度920m,进回风顺槽长935m。工作面设计采高为2.6m,可采储量为90万t,工作面瓦斯含量为7.55m3/t。该工作面采用走向长壁式采煤法,综合机械化采煤工艺,全部跨落法来管理顶板。

3 问题的提出及采煤过程中瓦斯涌出量增大的原因

2010年4月,平沟矿综采队到1606工作面进行采煤作业。综采队在采煤过程中发现其上隅角瓦斯经常处于临界状态,由于该工作面采用了瓦斯--电闭锁装置,瓦斯浓度达到了临界值时工作面电气设备便跳闸,由于跳闸频率高,严重地制约了工作面的安全生产。分析认为,1606采煤工作面采煤过程中瓦斯涌出量增大原因：

(1)本煤层瓦斯涌出

采煤机在破煤过程中,煤层的原有应力平衡被破坏,在煤壁前方的煤体内,产生3个应力带 (见图1),即卸压带、集中应力带和原始应力带。在卸压带中,煤层的透气性增大,地应力与瓦斯压力都大大降低,大量吸附在煤层中的瓦斯都沿着煤层的裂隙解吸释放到工作面,从而导致工作面瓦斯涌出量增加。

图1 应力集中带和卸压带分布

(2)邻近层卸压瓦斯涌出

平沟煤矿是典型煤层群赋存的矿井,对于1606工作面,16#煤层开采后,由于围岩的移动和地应力的重新分布,在地层中形成了大量的裂隙,使开采层顶底板附近煤层中的瓦斯大量涌入开采空间所示。由于瓦斯较之空气轻,瓦斯在采空区、工作面或裂隙带内向上运动,造成这种运动的主要原因有：①瓦斯密度比周围气体介质的密度小,而产生一种上浮力;②裂隙通道或漏风通道两端有风压能量差,具有了使瓦斯沿通道流动的能力。具备以上条件之一,瓦斯即上浮,而对于倾斜上行通风的工作面,上述两个条件是共存的,其示意图如图2、图3所示。

图2 邻近层瓦斯涌向采空区示意图

图3 采空区瓦斯流场示意图

(3)上隅角瓦斯超限原因

综上所述,平沟煤矿在开采16#煤层的1606工作面时,除本煤层瓦斯涌出外,其上覆9#、10#煤层大量泄压瓦斯进入本工作面的采空区,然后这些瓦斯连同采空区遗煤涌出瓦斯缓慢上浮到采空区瓦斯积聚区。本工作面上隅角瓦斯容易超限的原因就是本煤层涌出的瓦斯和邻近层泄压瓦斯涌到采空区的瓦斯积聚区,然后经漏入采空区的微弱风流带入回采工作面,在回采工作面与回风巷交界处形成一片高浓度瓦斯积聚的区域 (上隅角瓦斯积聚区域)的结果。

4 顶板高位抽放技术的工作原理及应用

针对在1606采煤工作面采煤过程中瓦斯涌出量增大的难题,该矿积极探索瓦斯抽放新工艺、新方法,采取了在1606工作面的回风顺槽实施顶板高位抽放技术,有效地治理了工作面的瓦斯,保证了工作面的安全生产。

4.1 顶板高位抽放技术的工作原理

顶板高位抽放钻孔是在回风顺槽向煤层顶板施工的钻孔,顶板高位钻孔瓦斯抽放又称为顶板裂隙带抽放,主要作用是以工作面回采采动压力形成的顶板裂隙作为通道来抽放工作面采空区及上隅角的瓦斯。

4.2 顶板高位抽放工艺及设备

4.2.1 高位裂隙抽放钻孔的布置及尺寸

根据工作面采煤期间裂隙带实际分布情况,在1606综采工作面的回风顺槽外口处迎向工作面推进方向施工顶板扇形钻孔,钻场施工上、中、下各1组钻孔,每组2个钻孔,共计6个钻孔,1#～2#钻孔在下方,3#～4#钻孔在中间,5#～6#钻孔在上方,钻孔直径为94mm,钻孔终孔位置位于采空区裂隙带内,抽采采空区和邻近层的卸压瓦斯,顶板高位钻孔布置图如图4所示。同时,通过抽采负压作用,改变工作面后方采空区流场,以此达到解决工作面采空区瓦斯涌出、上隅角瓦斯超限的问题。这6个孔必须严格按设计要求施工打到顶板裂隙带内,以便于抽放裂隙带内的瓦斯。打好钻孔后必须及时封孔,每2个孔一组及时与钻场口的束管直通相连,直通又与φ150抽放管连接,利用井下移动泵站将裂隙带内的瓦斯抽出,从而达到降低采空区及上隅角瓦斯的目的。

图4 顶板高位钻孔示意图

该矿在1606回风顺槽顶板高位钻孔施工参数表见表1所示。

表中各参数含义：

平距X表示钻孔轴线在上顺槽方向的投影长度,m;距离Y表示钻孔终孔点在煤层面垂直投影点到上顺槽的距离,m;高度H表示钻孔终孔点距煤层顶板的垂直高度,m。

表1 1606回风顺槽顶板高位钻孔施工参数表

4.2.2 顶板高位抽放工艺

顶板高位抽放钻孔施工时,首先采用6000LD型定向钻机 (该型号钻机由中煤科工集团西安研究院研制成功,该钻机功率大,操作简单,采用水力排粉,十分适合井下打岩石钻孔使用)在钻场内严格按设计要求打好钻孔,然后采用 KFB水泥浆封孔泵封孔。封孔管采用DN50mm钢管,水泥浆采用425号水泥与水搅拌制成,水灰比为1：2,封孔长度不少于7m。在钻孔施工完后,用DN64mm吸引胶管将每个钻孔与钻场汇流瓦斯管相连接,连接处需用8号铁丝将胶管扎紧。然后将汇流管与回风巷安设的抽采管路相连接,在连接处需安设阀门以便控制抽采负压。顶板走向长钻孔的抽采负压一般控制在5～7KPa。然后利用井下移动泵站井下带抽,瓦斯泵用ZWY60/90型水环式真空泵,该泵额定流量为60m3/min,功率90KW,完全能满足高位裂隙钻孔抽放的需要。抽放队定期安排人员检查处理抽放管放水、漏气,并及时观测抽放管内的瓦斯浓度、负压、流量等技术参数。

5 高位裂隙抽放的实验及效果分析

2010年4月,平沟矿综采队初次进入1606工作面采煤时其上隅角瓦斯浓度经常保持在0.9%左右,并时有超限现象发生,严重影响了1606工作面的安全生产。2010年5月下旬,该矿开始在1606工作面采用高位裂隙抽放技术以来瓦斯抽放效果十分明显,抽放队安排放水人员在1606回风顺槽测量φ150抽放管内负压内负压、浓度等技术参数时发现管内负压一般保持在5.2～7.3KPa之间,瓦斯浓度一般保持在14%～19%之间。实施顶板高位抽放技术后,2010年6月上旬以后在该工作面采煤时,上隅角的瓦斯浓度已降至0.3%～0.4%,此后观察抽放管内瓦斯浓度至今没有反弹,保证了1606工作面的安全、稳定、高效生产,收到了良好的社会与经济效益。

[1] 煤矿安全规程.国家安全生产监督管理总局.2011.01：75.

[2] 徐永圻,《采矿学》,中国矿业大学出版社,2003.

[3] 李宵尖、姚精明等,高位钻孔瓦斯抽放技术理论与实践,煤炭科学技术,2007.04.

[4] 翟成、林柏泉、吴海进。顶板高位钻孔抽放在瓦斯治理中的应用,煤矿工程,2005.09.