大直径高位钻孔治理综放工作面初采期瓦斯涌出∗

李凤龙杨宏民,2陈立伟,2

(1.河南理工大学安全科学与工程学院,河南省焦作市,454000; 2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地,河南省焦作市,454000)

大直径高位钻孔治理综放工作面初采期瓦斯涌出∗

李凤龙1杨宏民1,2陈立伟1,2

(1.河南理工大学安全科学与工程学院,河南省焦作市,454000; 2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地,河南省焦作市,454000)

针对阳煤一矿北丈八井采用伪倾斜后高抽巷治理综放工作面初采期瓦斯涌出不均衡,由此造成的施工工期长、工程量大、成本高、采掘接替紧张的问题,在81102综放工作面进行了大直径高位钻孔代替伪倾斜后高抽巷的试验,研究了两者的抽采技术机理和抽采效果。结果表明:大直径高位钻孔能成功解决工作面初采期的瓦斯不均衡涌出和频繁超限问题,工作面初采期间,回风流瓦斯涌出相对平稳,未出现瓦斯涌出峰值;瓦斯抽采量稳定上升,最终达到26.97 m3/min。认为用大直径高位钻孔代替伪倾斜后高抽巷是可行的。

大直径高位钻孔 伪倾斜后高抽巷 瓦斯抽采 邻近层

瓦斯事故严重威胁、制约着矿井的安全生产。随着矿井生产强度的增加,矿井瓦斯涌出量增加,邻近层瓦斯涌出现象加剧,尤其是初采期间,受采动影响,邻近层瓦斯涌出不稳定,造成工作面瓦斯频繁超限,影响工作面正常生产。目前抽放邻近层瓦斯的常用方法主要有顶板走向钻孔、倾向穿层钻孔、走向高抽巷和倾斜高抽巷等,单一的采用这些抽采方法不能解决初采期间瓦斯的不稳定涌出,严重影响工作面的正常回采。采用伪倾斜后高抽巷配合走向高抽巷抽放瓦斯技术能够解决工作面初采期瓦斯的不稳定涌出问题,但由于伪倾斜后高抽巷施工精度要求高,巷道层位不易掌握,且施工工期长,工程量大,成本高,容易造成矿井采掘接替紧张。基于此,在阳煤一矿北丈八井进行了大直径高位钻孔代替伪倾斜后高抽巷的试验。

1 矿井概况

阳煤一矿位于阳泉市西北20 km,下属北丈八井和北头嘴井生产矿井。井田位于沁水盆地东北边缘,构造形态基本上呈单斜状,其走向为西北,倾向为南西。沿单斜走向和倾向均发育有次一级的较平缓的褶曲群和层间断裂构造,局部地段发育有陡倾挠曲,陷落柱发育。矿井主要开采石炭二叠系山西组和太原组煤层,可采3＃、8＃、12＃、15＃煤层,核定生产能力7.5 Mt/a。该矿井属于高瓦斯矿井,采用主斜井、副立井综合开拓方式开采15＃煤层,通风方式为中央分列式,通风方法为机械抽出式。

2 综放工作面初采期瓦斯涌出特征分析

15＃煤层为全井田可采煤层,煤层厚度为4.77～9.03 m,平均煤厚6.91 m。顶板岩性为泥岩、砂质泥岩和细粒砂岩,底板岩性为泥岩。

15＃煤层采用综采放顶煤开采方式,采高2.7 m,顶煤厚3.5～4 m;自然冒落法管理顶板, U＋I型通风方式,外加走向高抽巷治理上邻近层瓦斯涌出。煤层瓦斯含量为5.67～7.13 m3/t,虽然本煤层瓦斯含量不大,但其上部邻近层12＃、13＃煤层瓦斯含量较高,并存在K2、K3两层富含瓦斯石灰岩。

15＃煤层回采期间,随着上覆岩层逐渐垮落,邻近层卸压瓦斯大量涌向工作面,造成工作面瓦斯严重超限。采用单一的走向高抽巷虽然能很好地抽出邻近层瓦斯,但初采期间,由于仅有直接顶垮落,基本顶未垮落,裂隙不能到达高抽巷,上邻近层瓦斯大量涌向回采工作面,对初采期的安全生产构成极大威胁。以81002综放工作面为例,工作面初采期间,随直接顶、基本顶的垮落,造成了2次不稳定涌出高峰。81002工作面初采期瓦斯涌出特征如图1所示。从图1可以看出:

图1 81002工作面初采期瓦斯涌出特征

(1)从工作面开始回采到推进距开切巷10 m以内,由于直接顶尚未断裂,邻近的含瓦斯围岩和煤层尚未卸压,工作面瓦斯主要来源于割煤、放顶煤产生的瓦斯。瓦斯涌出量比较稳定,为3.75 m3/min;随着工作面的推进,当工作面距切巷10 m以后时,随着直接顶逐渐冒落,含瓦斯的上邻近煤岩层逐渐卸压,瓦斯涌出量逐渐增大。当工作面距切巷17 m时,瓦斯涌出量增大到14.34 m3/min,工作面瓦斯涌出出现第1次高峰,工作面瓦斯开始频繁超限。

(2)在工作面距切巷24～34 m左右时,上覆13＃煤层卸压,大量卸压瓦斯涌向回采工作面,工作面瓦斯涌出出现第2次高峰,为初采期瓦斯涌出量最大值,达到28.76 m3/min。同时,走向高抽巷开始抽出瓦斯,瓦斯抽采量为14.66 m3/min。

(3)当工作面推进到距切巷34 m时,走向高抽巷得到充分卸压,抽出大量瓦斯,抽采量达到31.8 m3/min,风排瓦斯量降为22.47 m3/min。此后,由于走向高抽巷的作用,工作面瓦斯涌出量迅速下降,风排瓦斯量逐渐降低到10 m3/min左右。瓦斯超限问题得到缓解,工作面安全有了保障。

3 伪倾斜后高抽巷治理综放工作面初采期瓦斯涌出存在的问题

针对81002工作面出现的问题,阳煤集团采用伪倾斜后高抽巷配合走向高抽巷治理15＃煤层综放工作面初采期瓦斯不稳定涌出问题。

以8902工作面为例,该工作面采用伪倾斜后高抽巷配合走向高抽巷治理邻近层瓦斯涌出。该工作面回采期间,统计了该工作面从开始回采到45 m距离内高抽巷瓦斯抽采浓度和流量,收集了回采期间回风流瓦斯浓度和风量,并绘制了抽采量和风排瓦斯量随推进距离的变化曲线,如图2所示。

由图2可以看出:8902工作面从开始回采到推进至10 m以前时,这一阶段风排瓦斯量变化不大,平均为4.42 m3/min;当工作面推进至17 m左右时直接顶初次垮落,出现第1次瓦斯涌出高峰;推进25 m左右时直接顶大面积垮落,裂隙发育到13＃煤层时出现第2次瓦斯涌出高峰,但由于伪倾斜后高抽巷的布置,抽采了大量近距离邻近层的卸压瓦斯,这一阶段抽放纯量增加至17.61 m3/ min,风排瓦斯量相应增加,并未出现像81002工作面开采初期瓦斯涌出大幅度变化的情况(见图1),风排瓦斯量平均11.40 m3/min,瓦斯超限次数大幅减少;工作面推进至34 m时,老顶初次来压,卸压带高度达到走向高抽巷,抽放纯量增加至23.04 m3/min,此时工作面风排瓦斯量平均为9.61 m3/min。

图2 8902工作面初采期瓦斯涌出特征

伪倾斜后高抽巷虽然成功解决了综放工作面初采期瓦斯不稳定涌出问题,但由于伪倾斜后高抽巷是在岩巷中掘进,生产工艺复杂、工期长、成本高、容易造成采掘衔接紧张等问题,影响矿井的安全生产。

4 大直径高位钻孔布置

针对伪倾斜后高抽巷的弊端,提出了采用大直径高位钻孔替代伪倾斜后高抽巷的试验。试验在15＃煤层的81102工作面进行。该工作面与8902工作面相似,煤层平均煤厚6.65 m,工作面走向长为1166 m,倾向长240.5 m。采用综采放顶煤采煤法,全部垮落法管理顶板。共布置进风巷、回风巷、内错尾巷、走向高抽巷4条巷道。内错尾巷距回风巷15 m处平行回风巷布置;走向高抽巷前346 m布置在工作面上方距15＃煤层43.5 m的12＃煤层中,后745 m布置在距15＃煤层35.8 m的13＃煤层中,水平方向距工作面回风巷30 m。

为了治理初采期邻近层卸压瓦斯不均衡的涌向回采工作面,造成工作面瓦斯超限事故,在距81102工作面回风巷30 m处的切眼巷内,即走向高抽巷正下方的煤帮钻场,向工作面推进方向的斜上方施工3个大直径钻孔,如图3所示。钻孔直径为193 mm,孔深55～60 m。钻孔施工采用MKD-5S型全液压钻机二次成孔的办法,即首先施工直径为115 mm的钻孔与走向高抽巷连通,然后再使用直径为193 mm的大直径钻头进行扩孔,钻孔布置参数见表1。

表1 大直径钻孔布置参数表

图3 81102工作面钻孔布置图

5 大直径钻孔治理综放工作面初采期瓦斯涌出效果分析

81102工作面回采期间,统计了该工作面从开始回采到45 m距离内高抽巷瓦斯抽采浓度和流量,收集了回采期间回风流瓦斯浓度和风量,并绘制了抽采量和风排瓦斯量随推进距离的变化曲线,如图4所示。

81102工作面从开始回采到推进至10 m以前时,这一阶段风排瓦斯量相对稳定,平均为3.57 m3/min;当工作面推进至17 m左右时直接顶初次垮落,出现第1次瓦斯涌出高峰,推进到24 m左右时直接顶大面积垮落,裂隙发育到13＃煤层时出现第2次瓦斯涌出高峰,但由于大直径高位钻孔的布置,抽采了大量近距离邻近层卸压瓦斯,这一阶段抽放纯量增加至20.52 m3/min,风排瓦斯量相应增大,没有出现像81002工作面开采初期瓦斯涌出大幅度变化的情况(见图1),风排瓦斯量平均12.19 m3/min,瓦斯超限次数大幅减少;工作面推进至34 m时,老顶初次来压,卸压带高度达到走向高抽巷,抽放纯量增加至26.97 m3/min,此时工作面风排瓦斯量平均为10.26 m3/min。

图4 81102工作面初采期瓦斯涌出特征

通过对比分析81102工作面和8902工作面回采期间瓦斯涌出规律可以看出:由于大直径高位钻孔的连通,在81102工作面初采期间,工作面风排瓦斯量相对平稳,平均12.19 m3/min,抽采瓦斯量稳定上升,最终达到26.97 m3/min;8902工作面初采期间,工作面风排瓦斯量平均11.40 m3/min,抽采瓦斯量为23.04 m3/min。由此可以得出,采用大直径高位钻孔与高抽巷沟通联抽工作面开采初期邻近层泄压瓦斯的方法能够替代高抽巷的伪斜巷道达到同样的效果,同时还具有工期短、成本低、施工简单、灵活性强等伪倾斜后高抽巷不具备的优点。

6 结语

大直径高位钻孔克服了伪倾斜后高抽巷施工工程量大、工期长、成本高、采掘衔接紧张的问题,同时很好地解决了综放工作面初采期邻近层卸压瓦斯的不均衡涌出,有效地防止了工作面由于邻近层瓦斯的不均衡涌出造成的瓦斯超限事故,保证了矿井的安全生产。由于大直径高位钻孔在瓦斯防治工程费用和施工工期上的相对优越性,在抽放工艺的改进中代替伪倾斜后高抽巷将是必然的趋势。

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(责任编辑 张艳华)

北京市关停燃煤电厂将削减燃煤量920万t/a

为构建现代城市能源体系,促进经济可持续发展,提升空气质量,北京市将大幅压减煤炭消费量,提升清洁能源使用比例。目前,北京四大燃煤电厂已有3座关停,燃煤电厂全部关停后预计将削减燃煤量920万t/a。

根据《北京市2013－2017年加快压减燃煤和清洁能源建设工作方案》(以下简称《工作方案》)显示,北京市将利用4年时间建设四大燃气热电中心,全面关停燃煤火电厂;清洁能源发电比例将达到100%,削减燃煤量920万t/a。

北京四大燃煤电厂分别为大唐高井燃煤热电厂、京能石景山热电厂、国华燃煤热电厂、华能燃煤热电厂。这四大燃煤电厂预计于2016年底全部关停。四大热电厂燃煤机组全面关停后,北京市将陆续建成四大燃气热电中心,构建以天然气、电能为主的能源体系,城市核心区实现无煤化。

Gas emission at fully mechanized working face during initial gas drainage by large-diameter high-level boreholes

Li Fenglong1,Yang Hongmin1,2,Chen Liwei1,2
(1.College of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China; 2.State Key Laboratory Cultivation Base for Gas Geology and Gas Control,Jiaozuo,Henan 454000,China)

Aimed at the instability of gas emission at fully mechanized working face during gas drainage in the false-inclined rear-high drainage roadway of Beizhangba shaft in No.1 Mine of Yangquan Coal Industry Group,resulting long construction period,great engineering quantity, high cost and difficulties in the excavation schedule,the test of gas drainage by large-diameter high-level boreholes instead of false-inclined rear-high drainage roadway was carried out at 81102 working face and their drainage principles and effects were studied.The results showed that large-diameter high-level boreholes could solve the instability of gas emission and frequent gas overrun.During the initial drainage,the gas emission in return-air current was steady,without emission peak.Moreover,the gas-drainage rate was steadily increased up to 26.97 m3/min.So the gas drainage by large-diameter high-level boreholes is feasible.

large-diameter high-level boreholes,false-inclined rear-high drainage roadway, gas drainage,adjacent layer

TD712.5

A

李凤龙(1988－),男,河南信阳人,在读硕士研究生,研究方向为矿山灾害预防与控制。

国家自然科学基金资助项目(51174081)