新疆众维煤业低解吸厚煤层瓦斯综合治理技术

2018-12-05赵忠贤

采矿技术 2018年6期

赵忠贤

(河南能源新疆公司拜城县众维煤业有限公司, 新疆阿克苏市 842300)

我国高瓦斯矿井分布较为广泛,在回采过程中经常发生瓦斯超限现象,影响正常作业,严重的会引发瓦斯爆炸等事故,造成巨大的生命财产损失[1-3]。国内研究人员针对瓦斯抽采问题进行了大量研究,取得了许多成果:乔权伟[4]为解决王村矿瓦斯涌出超限问题,采用采前预抽、边采边抽及裂隙区域联合抽采等综合治理方案,取得了良好抽采效果;焦向东[5]针对平煤八矿低透气性煤层,通过穿层钻孔预抽,再施工本煤层瓦斯抽采钻孔,提高了抽采效率;魏秀军[6]为解决新景公司采空区瓦斯涌入问题,采用高抽巷及采空区瓦斯钻孔等手段,显著减少了工作面瓦斯涌入量。上述研究多侧重于瓦斯涌出量大及煤层透气性低的条件,而对于低解吸厚煤层的瓦斯治理方法研究较少。

新疆库拜煤田众维煤业属高瓦斯矿井,其主采Ⅳ13煤层为低解吸厚煤层,瓦斯治理难度较大。为实现Ⅳ13煤层的高效抽采,本文结合矿井生产条件,设计了一套瓦斯综合抽采方法,为矿井的安全生产提供保障,并为库拜煤田的瓦斯治理提供有益思路。

1 工程概况

拜城县众维煤业有限公司主采Ⅳ13煤层,煤层厚度1．78~10．92 m,平均4．92 m,煤层倾角26°~32°,顶板一般为含炭泥质粉砂岩,含炭粉质泥岩、岩质泥岩,厚度2．91 m,顶底板岩性基本相同。进行瓦斯治理的区域主要为＋2193 m水平以下三采区,实测煤层瓦斯压力峰值0．34 MPa,瓦斯含量平均8．75 m3/t,最大瓦斯含量13．04 m3/t。煤层透气性系数0．4986~3．957 m2/(MPa2·d),钻孔瓦斯流量衰减系数0．039~0．127 d-1,超前钻孔有效排放半径0．5~1 m。三采区瓦斯含量等值线分布见图1。

该矿主要面临有两大技术难题:一是煤层厚度、倾角变化大,地质条件复杂,开采难度高;二是煤层瓦斯含量高、吸附瓦斯含量大,抽采作业困难。为解决该复杂地质条件下的瓦斯治理问题,需因地制宜设计一套瓦斯治理实际的抽采技术。

图1 三采区瓦斯含量等值线分布

2 瓦斯治理实施方案

根据抽采位置的不同,现有瓦斯抽采技术主要划分为四类,其中本煤层抽采主要用于高瓦斯煤层情况,邻近层抽采主要针对邻近层瓦斯涌出量大,影响开采安全的条件,采空区抽采主要应用于无自燃危险的煤层,围岩抽采主要针对围岩瓦斯涌出量大或有封存高压瓦斯的情形。

通过对比分析现有的技术,结合众维煤业的地质条件,确定将多种方法有机结合,提出一种瓦斯综合抽采技术作为其瓦斯治理方案,其方法是:掘进工作面结合预抽和边掘边抽;回采工作面应用预抽和边采边抽;采空区采用高位钻孔抽采和埋管抽采。

2．1 掘进工作面瓦斯治理

工作面掘进时,两帮产生2条卸压条带,内部空隙裂隙发育,瓦斯易于扩散,因此在该部分布置预抽和边掘边抽钻孔进行瓦斯抽采。

预抽是指在掘进工作面掘进前,向前方煤体施以扇形钻孔抽采瓦斯的举措,钻孔布置如图2所示。钻孔超出上帮范围外20 m,下帮范围外10 m,通过测得的有效抽采半径,确定预抽钻孔终孔间距为2~5 m。钻孔长度60~100 m,保证预抽钻孔超前距要大于20 m。孔径Φ75 mm,为保证抽采效果,封孔深度大于12 m。

图2 掘进工作面预抽钻孔布置平面图

在进行预抽之后,掘进工作面边掘边进行瓦斯抽采,同样在巷道两侧卸压区布置钻孔,以提高抽采效率[7-8]。在掘进工作面后方两侧各施工一个钻场,长×宽×高为4 m×3 m×2．4 m,同侧相邻2个钻场的间距50 m,钻孔孔径75 mm,有10~15 m超前距,钻孔分布于左右两帮各15 m的煤体内,钻孔与水平面夹角与煤层倾角相同,具体布置情况见图3。

图3 掘进工作面边掘边抽钻孔布置示意

2．2 回采工作面瓦斯治理

根据煤层赋存情况及巷道布置,从回采工作面两翼回采巷道向煤层施工顺层钻孔,既可以作为工作面回采前的预抽钻孔,也可以在工作面回采至钻孔前方时作卸压瓦斯钻孔,一孔多用,可以提高瓦斯抽采量及减少钻孔成本[9-10]。

回采工作面瓦斯抽采钻孔分布于上下回采巷道,各为两排,倾角按煤层倾角设计,运输平巷开孔高度设计为0．4 m和0．8 m,回风平巷开孔高度设计为0．8 m和1．2 m。由于下向钻孔施工比较困难,运输平巷钻孔长度略短一些,设计为70 m;回风平巷施工上向钻孔,钻孔长度设计为100 m,钻孔分布情况如图4所示。根据三采区掘进工作面抽采情况对回采工作面钻孔进行调整,每排预抽钻孔间距暂设计为5 m。钻孔直径为75 mm,可根据实际情况适当增大钻孔直径。

图4 1301采煤工作面顺层抽采钻孔布置示意

2．3 采空区瓦斯治理

当工作面开采距离较大时,其后方采空区上部垮落的岩层逐渐压实趋于密闭,但在采空区周边形成一个透气性能较好,且瓦斯聚集的类似“O”型的裂隙发育带[11-13]。针对采空区后方的“O型圈”,可以采用高位钻孔抽采和采空区埋管抽采2种方法来并行处理采空区瓦斯。

由于采动引起的顶板裂隙发育,使得顶板上方瓦斯聚集,因此采用高位钻孔从回风平巷内向煤层顶板施工钻孔以抽采瓦斯[14-15]。具体实施参数为:在工作面前方回风平巷内迎工作面向顶板呈扇形施工5个孔深为100 m左右的高位钻孔,钻孔倾角按32°~38°布置,为使钻孔能够有效抽采瓦斯,终孔点需在煤层顶板裂隙内,沿倾向距离回风巷25 m,合理封孔深度为5~6 m;钻场沿回风巷巷帮布置,每隔50 m一个,长4 m,宽3 m,高2．4 m,采用锚网支护;每个钻场内布置5个钻孔,呈扇形布置,见图5。

图5 高位钻孔抽采瓦斯方法示意

采空区埋管抽采是指在工作面采空区铺设瓦斯抽采管道以抽采采空区瓦斯的措施[16-17],具体是指在回风巷道沿底板铺设一趟瓦斯抽采管道,在距工作面切眼80 m左右处将其抬高至巷道顶部,并在巷道顶部分叉为4趟钢管。4趟抽采管道的管口依次相距3~5 m,抽采管口采用筛网进行保护,抽采管道采用沙袋墙进行保护。分叉管路和总管路各有单独的阀门控制,以便管路适时开合。1,2,3,4号抽采管道埋管口分别布置在采空区9~15,6~10,3~5,1 m深度处,具体布置如图6所示。当工作面推进至2号抽采管道管口附近时,关闭1号管道阀门,并在上隅角卸掉1号管道,以此类推循环前进。

图6 采空区埋管抽采方法平面布置

3 瓦斯治理效果分析

3．1 钻孔瓦斯浓度分析

以11号钻场为例,通过瓦斯浓度实测发现,初始瓦斯浓度普遍达到40%以上,个别钻孔甚至能够达到70%。钻孔瓦斯浓度随时间增长呈递减趋势,开始抽采15 d内瓦斯浓度能够保持在较高状态,超过15 d后逐步衰减,但在45 d内钻孔瓦斯浓度普遍保持在10%以上。实测数据充分表明,现采用的瓦斯抽采钻孔布置合理,进行瓦斯抽采措施时,钻孔瓦斯浓度较高,达到了预期的抽采效果。

3．2 掘进工作面瓦斯浓度分析

1301下顺掘进工作面未采取瓦斯抽采措施,1301上顺反掘工作面和1301下顺反掘工作面实施瓦斯抽采。由于1301下顺掘进工作面未实施瓦斯抽采,当其进行正常的超前钻探作业,探测钻孔进入瓦斯异常带内时,大量的瓦斯从钻孔涌出到工作面,造成瓦斯浓度超限;而实施瓦斯抽采措施的1301上顺反掘工作面和1301下顺反掘工作面瓦斯的浓度均小于0．01%。可见,实施瓦斯抽采措施后,工作面瓦斯涌出量显著减少,得到了有效治理,瓦斯涌出控制在安全的范围之内,为矿井安全生产提供了一定的基础。

3．3 掘进速度分析

由于掘进工作面采取瓦斯抽采措施,瓦斯超限现象大幅减少,瓦斯对工作面掘进速度的影响显著下降,使得工作面月掘进速度从50 m左右提高到100 m左右,掘进速度提高一倍。之后又针对掘进工作面产生瓦斯超限现场及其原因进行分析,进一步优化设计相关瓦斯抽采参数,实施了优化瓦斯抽采措施之后,掘进速度由原来的100 m/月提高到150 m/月。由此可见,实施优化后瓦斯抽采措施的抽采效果十分明显,满足了安全、快速、高效的掘进要求。