特厚煤层工作面采空区瓦斯治理技术研究

郝建峰

(同煤大唐塔山煤矿有限公司)

特厚煤层工作面采空区瓦斯治理技术研究

郝建峰

(同煤大唐塔山煤矿有限公司)

工作面采空区瓦斯治理一直是煤矿安全生产中最为重要工作之一。以塔山矿为研究背景，为有效遏制因地面大气压变化而引起的采空区“呼吸”现象所造成的瓦斯超限问题，采用地面钻孔瓦斯抽放与井下注氮技术相结合的治理方法,经过处理后的采空区瓦斯含量极少，平均为0.4%左右，对工作面回采的影响较弱，从而最大程度地保证了8204工作面的安全生产，同时也为类似的特厚煤层工作面采空区瓦斯治理提供了借鉴。

特厚煤层 采空区 瓦斯治理 地面钻孔 井下注氮技术

高瓦斯矿井在煤层不能一次完全采出的情况下，采空区积存有大量高浓度瓦斯；在采空区漏风的作用下，瓦斯沿漏回风隅角大量涌入工作面，造成工作面瓦斯严重超限。当工作面瓦斯绝对涌出量超过通风稀释的极限量时，必须采取瓦斯抽采措施。国内学者进行了相关研究，王兆丰等[1]针对成庄煤矿4308综放工作面采空区瓦斯涌出规律，运用采空区尾巷埋管、顶板走向长钻孔及地面钻井等多种抽放措施对采空区瓦斯进行抽放，从而达到治理瓦斯的目的。李宗翔等[2]运用有限元法，提出了采空区瓦斯涌出强度的概念,论证了用瓦斯涌出强度衡量采空区瓦斯涌出的科学意义。王海宾等[3]提出了有效治理采空区有害气体对小煤柱掘进工作面掘进、回采过程影响的技术体系。本文针对塔山煤矿8206工作面采空区的实际情况，提出采用地面钻孔瓦斯抽放与井下注氮技术相结合的瓦斯治理方法，以验证其有效性。

1 工程概况

塔山煤矿位于大同煤田中东部边缘地带，口泉河两侧，鹅毛口河以北，七峰山西侧，为高瓦斯矿井，透气性系数较低，属于较难抽放煤层。8204工作面位于塔山井田东南部、二盘区东北部，东邻8202采空区，西南为8206采空区，西北部为F13810断层，东南部为二盘区回风巷。工作面长162 m，走向长1 100 m，主采煤层为3#～5#煤层，总厚11.81～17.76 m，平均厚14.83 m，属于特厚煤层。8204综放工作面与8206采空区相邻，留设的小煤柱宽度仅为6 m。因地面大气压变化而引起的采空区“呼吸”现象造成8204工作面回采期间，8206采空区内积聚的瓦斯经小煤柱内部和上覆岩层裂隙进入8204工作面及采空区，引起瓦斯超限。8204工作面与8206工作面采空区位置关系见图1。因此，在8204工作面未正式开采前，需要对8206采空区积聚的瓦斯进行治理，若只依靠工作面负压通风不能有效地解决工作面瓦斯涌出问题，必须采取合理有效的瓦斯抽排措施。

2 8206采空区瓦斯治理技术

采用地面钻孔瓦斯抽放与井下注氮技术相结合的瓦斯治理方法。井下注氮技术可以置换采空区高浓度瓦斯气体，这样一方面可以平衡8206采空区与8204巷内的气压，消除采空区“呼吸”现象；另一方面也可以利用大量氮气将采空区高浓度瓦斯逐步置换，使采空区内形成低瓦斯含量的混合气体，消除采空区内的瓦斯隐患。

2.1 地面钻孔瓦斯抽放

依据地表实际地质环境和水文条件等情况，综合考虑采空区上覆岩层“三带”划分情况以及O形圈理论，并分析瓦斯在采空区上覆岩层裂隙中的运移特点[3-8]，结合8206工作面回采实际情况和与8204工作面相对位置关系，确定在8206采空区对应地面布置2个垂直瓦斯抽放钻孔。

考虑8206工作面回采时，在距停采线80 m处进入不放煤区域，则退后约200 m以后均为采空区垮落较好的区域。结合8204工作面走向长度，确定1#、2#钻孔走向位置距8206工作面停采线约350，500 m，距8204工作面切眼分别为320，170 m，基本上位于8204工作面中部。

图1 8204工作面与8206工作面采空区相对位置关系

采空区瓦斯在水平方向上多积聚赋存在上覆岩层垮落运动而形成的O型圈内部，只有将钻孔布置在O型圈范围内，才能最有效抽放采空区内瓦斯[9-11]。若采空区冒落高度按3倍采高(约50 m)，垮落角按60°计算[12]，则8206采空区内部的O形圈位置约在内错5206巷40 m处。考虑到8206工作面开采期间“头三尾四”不放煤的回采工艺，将钻孔开孔定位在水平方向上内错5206巷40～70 m处。

采空区瓦斯在竖直方向上多积聚于上覆岩层垮落运动而形成的冒落带和裂隙带内，终孔位置需布置在采空区裂隙带内[13-15]。根据塔山矿其他工作面采空区地面钻孔抽放结果分析，确定采空区冒落带高度约50 m，裂隙带高度为50～200 m，根据钻孔施工期间气体及孔内窥视情况，1#、2#钻孔终孔位置分别在距煤层底板约125和80 m处。地面瓦斯抽放钻孔示意见图2。

图2 地面瓦斯抽放钻孔布置

2.2 井下注氮技术

采用注氮的方式置换采空区高浓度瓦斯，分别在2206巷密闭、5206巷密闭和5204巷打孔对8206采空区注氮。注氮管路布置见图3。制氮车间位于二风井制氮机房内，2204巷道内φ159 mm注氮管路与二盘区进风大巷φ273 mm注氮管路对接，在工作面2204巷进风端头沿采空区埋设2趟φ108 mm钢丝缠绕管路，采用错步方式注氮;5204巷仍采用原注氮管路向相邻采空区注氮。

图3 采空区注氮管路敷设示意

2.2.1 注氮量确定

(1)按采空区氧化带氧浓度计算:

(1)

式中,QN为注氮流量，m3/min；Q0为采空区氧化带内漏风量，取20 m3/min；C1为采空区氧化带内O2平均浓度，18%～7%，取13%；C2为采空区惰化指标，取7%；CN为注入氮气浓度，97%；k为备用系数，一般为1.2～1.5，取1.5。

按稀释采空区氧化带氧浓度至惰化浓度计算得出QN=45 m3/min(2 700 m3/h)。

(2)按产量计算采空区注氮流量，其实质是向采空区注入一定流量的氮气，以惰化每天采煤所形成的空间体积，使其氧气浓度降到惰化指标所需要的注氮流量，按下式计算：

(2)

式中，QN为注氮流量，m3/min；A为年产量，小煤柱工作面年产量为500万t；t为年工作日，取330 d；ρ为煤的密度，取1.4 t/m3；η1为管路输氮效率，一般取0.9；η2为采空区注氮效率，取0.55；C1为空气中的氧含量，取20.9%；C2为采空区惰化指标，规程定为7%；k为备用系数，一般为1.2～1.5，取1.5。

按产量计算采空区注氮流量得出QN=45 m3/min(2 700 m3/h)。

通过上述计算，结合8204综放面开采条件，将注氮流量确定为45 m3/min(2 700 m3/h)。

2.2.2 注氮管路直径计算

管路直径的选择应满足以下2个条件：一是在正常时期进行注氮时，管路直径必须满足注氮时的最大流量；二是氮气出口的压力要求高于注氮区域的压力，使注氮区域始终处于正压状态。

因此，在满足以上2个条件时，注氮管路的直径可按下式计算：

(3)

式中,D为管路最小直径，mm；Qmax为正常时期最大注氮量，m3/s；v为管路内氮气的平均流速，通常为10～15 m/s，取14 m/s。

经计算，注氮管路最小直径D=262 mm。

2.2.3 注氮管口压力计算

根据工作面的长度确定注氮管路的出口压力不得低于0.35 MPa，否则注氮半径则达不到160 m。注氮管路的初始压力计算公式为

(4)

式中,P1为供氮的绝对压力，MPa；P2为管路末端的绝对压力，MPa，不得低于0.35 MPa；Qmax为最大输氮流量，m3/h；D0为基准管直径，150 mm；Di为实际输氮直径，mm；Li为相同直径管路的长度，km；λ0为基准管直径的阻力损失系数，0.026；λi为实际输氮管径的阻力损失系数。

根据注氮管路系统布置及工作面注氮量，按最远输送距离计算注氮管网初端所需绝对压力P1=0.65 MPa,大于制氮设备输出压力，满足要求。

3 效果分析

3.1 8206采空区井下注氮量

8204工作面回采之前，8206采空区井下注氮变化量曲线见图4。可知，8206采空区不间断注氮，注氮量在1 500～4 000 m3/h波动，平均注氮量约2 000 m3/h。与此同时又要保持采空区与8204工作面之间的静压平衡，防止瓦斯等气体流通，所以注氮率不断进行小范围调整，以此保证取得良好的瓦斯治理效果。从开始注氮直到8204工作面停采，8206采空区井下共计注氮量约863万m3，置换出了大量的瓦斯，有效地降低了采空区瓦斯含量；而且大量氮气注入采空区，也对防火起到了积极的作用。

3.2 地面钻孔瓦斯抽放量和抽放瓦斯浓度变化

8206采空区地面钻孔瓦斯抽放量和抽放气体中瓦斯浓度变化曲线见图5、图6。

图4 8206采空区井下注氮量变化曲线

图5 8206采空区地面钻孔瓦斯抽放量变化曲线

图6 8206采空区地面钻孔抽放瓦斯浓度变化曲线

由图5可知，8206采空区通过地面钻孔抽放初期由于采空区瓦斯含量相对较高，积聚的瓦斯离钻孔终孔位置较近等原因，使得钻孔瓦斯抽放量达到4～10 m3/min，但很快降低；在以后的整个抽放过程中瓦斯抽放量较小，平均抽放量约3 m3/min；这说明8206采空区内的瓦斯含量较小，所以单位时间内能够抽放的瓦斯纯量也较小。在这期间地面钻孔共计抽放8206采空区瓦斯约69.8万m3，极大地降低了采空区瓦斯含量。

已知8206采空区钻孔抽放的混合气体流量不小于75 m3/min，但由图6可知，在这部分混合气体中瓦斯浓度较小，仅占5%～13%，说明了采空区中积聚的瓦斯量不大，可以通过抽放措施有效地降低采空区瓦斯浓度，防止向工作面或上隅角积聚。

3.3 8206采空区残余瓦斯浓度

在进行地面钻孔抽放瓦斯的同时，利用采空区中的束管监测系统对8206采空区中遗留的瓦斯浓度进行实时监测，通过实测数据分析得到8206采空区瓦斯浓度变化曲线(图7)。可知，通过采取地面钻孔抽放结合井下注氮置换采空区高浓度瓦斯措施，使得8206采空区瓦斯浓度降至0.4%左右，相比于5204巷掘进期间8206采空区的平均瓦斯含量16%来说，已经显著降低，对8204工作面的正常生产影响不大。

图7 8206采空区残余瓦斯浓度变化曲线

4 结 语

针对8204综放工作面相对瓦斯涌出量不大，但煤层厚度较大，开采强度较高，又由于受工作面上覆坚硬岩层的断裂及顶板来压情况的影响，绝对瓦斯涌出量较大，涌出异常时会出现瓦斯超限现象，单纯依靠工作面负压通风不能有效地解决工作面瓦斯涌出问题，通过采取采空区地面瓦斯抽放和井下注氮置换相结合的综合治理措施，显著降低采空区瓦斯浓度，可以有效保障工作面的安全高效生产，该综合治理技术具有较好的推广价值。

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2016-10-08)

郝建峰(1971—)，男，通风区区长，工程师，037003 山西省大同市。