坪上煤业矿井瓦斯治理技术研究

张天祥,王旭东

(山西晋煤集团坪上煤业有限公司,山西 晋城 048203)

山西晋煤集团坪上煤业有限公司(以下简称:坪上煤业)位于山西省沁水县端氏镇曲堤村,井田面积为9.4 km2,生产能力为9×105t/a,批准开采3#～15#煤层,地质储量达8.8×107t,可采储量为3.6×107t,服务年限28.5 a,可采煤层为3#、15#。3#煤可采储量为2.7×107t,服务年限为21.7 a,煤层厚度4.4～6.6 m,平均5.3 m。坪上煤业为煤与瓦斯突出矿井,绝对瓦斯涌出量为334 m3/min,相对瓦斯涌出量为180 m3/min,其中抽采量为287 m3/min,风排量47 m3/min;3#煤层瓦斯含量为16.61～17.12 m3/t,煤的坚固性系数为1.71～1.88,煤层透气性系数为7.16～9.71 m2/(MPa2·d),煤层具有坚固性系数高、瓦斯含量大、透气性好、易抽采等特点。

1 综采工作面和掘进工作面瓦斯抽采

地面瓦斯抽采共有地面钻井57口,目前在抽30口,日抽采瓦斯8×104m3,抽采的瓦斯体积分数达70%,影响区域内煤体瓦斯含量每年降低1～1.5 m3/t。

1.1 综采工作面瓦斯抽采方法

1.1.1综采工作面瓦斯抽采

瓦斯治理模式分为综采工作面圈定前和综采工作面圈定后。在综采工作面圈定前地面钻井预抽基础上,进行顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯(递进孔);综采工作面圈定后进行顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯(采面顺层钻孔)。千米钻孔为圈定前钻孔(递进孔),普通钻孔为圈定后钻孔,综采工作面抽采钻孔设计如图1所示。

图1 综采工作面抽采钻孔设计图Fig.1 Design of drillingboreholes for fully-mechanized mining face

圈定前:进行顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯;圈定后:进行顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯。

抽采效果:2305综采工作面递进孔进尺为84 km,普通孔进尺为174 km,吨煤进尺0.11 m/t。累计抽采瓦斯2.5×107m3,瓦斯含量由15 m3/t下降至6.8 m3/t。

1.1.2采空区瓦斯抽采

采空区瓦斯治理模式分为高位钻孔和闭墙插管。高位钻孔裂隙带抽采基于钱鸣高院士的冒落带、裂隙带、弯曲下沉带3带理论[1],将高位孔水平段施工在裂隙带中,在瓦斯的自浮力和负压的共同作用下,抽采采空区上方的瓦斯。

层位选择:一般认为,裂隙带位于6～8倍的采高位置[2-3],坪上煤业初采钻孔选择18 m层位,其余钻孔选择12～15 m的层位。如果钻孔在冒落带,则混量大、负压低、浓度低、纯量小、效率差。如果施工在弯曲下沉带,则混量小、负压高、浓度高、纯量小、效率差。只有施工在裂隙带,才能使钻孔充分发挥作用,体现出负压损失小、浓度高、流量大、抽采效果好等优点。

孔深的控制:已有研究表明,采空区瓦斯抽采孔孔深控制在200～300 m范围内较为合理[4],过深则负压损失大,影响抽放效果,过浅抽放效果好,但成本较高。

抽采范围:每个钻场至少施工4个钻孔,钻孔水平间距为15 m,控制采面60 m宽度。每组钻孔之间要有水平重叠段,保证钻孔顺利接替。抽采效果:2305采面辅助切眼在抽钻场日抽采瓦斯量为(1.5～2)×104m3,钻孔抽采瓦斯体积分数60%～80%,上隅角瓦斯稳定。

定向高位钻孔设计示意图如图2所示。

图2 定向高位钻孔设计示意图Fig.2 Design of directional high-level drilling boreholes

1.1.3闭墙插管改变上隅角瓦斯流向

在回风顺槽闭墙上预埋两根457 mm管路,采面推过横川后,打开阀门,实施闭墙插管抽放,闭墙处形成负压区,改变上隅角瓦斯流向,避免采空区瓦斯向上隅角涌出。闭墙插管改变上隅角瓦斯流向示意图如图3所示。

图3 闭墙插管改变上隅角瓦斯流向示意图Fig.3 Gas flow direction in upper corners changed by tubes in closed wall

抽采效果:两台2BEC72泵担负闭墙插管抽采,抽采混量约500 m3/min,日抽采瓦斯纯量约3×104m3。关键技术:合理控制各闭墙的管路阀门,使上隅角后方第一道闭墙管路阀门呈90°打开状态,其余根据情况打开5°～10°，控制闭墙前无瓦斯积聚即可；由于横川之间距离过远或上隅角后方垮落太实,上隅角处向采空区流动的瓦斯流向不明显时,可在回风巷增阻。

1.1.4综采工作面瓦斯治理效果

综采工作面实现了U型通风系统,采面风量为1 800 m3/min,工作面瓦斯涌出量37.07 m3/min。其中高位钻孔抽采量11.92 m3/min,闭墙插管抽采量13.91 m3/min,本煤层抽采量2.84 m3/min,风排量8.40 m3/min,瓦斯抽采率为77%。

1.2 掘进工作面瓦斯治理模式

在地面钻井预抽的基础上,掘进工作面瓦斯治理模式分为:穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯、顺层钻孔(区段递进孔)预抽区段煤层瓦斯,顺层钻孔(条带密集孔)预抽煤巷条带煤层瓦斯。

1.2.1掘进工作面穿层钻孔参数

经矿井瓦斯基础参数测试,3#煤层瓦斯抽采半径为3.5 m,为避免漏抽,设计时孔间距适当加密。在底板岩巷,每隔30 m施工1个钻场,每个钻场覆盖煤巷掘进范围左右各30 m,钻孔设置3～5排,每排钻孔数15～20个,钻孔开孔间距0.5 m,终孔间距3～5 m。掘进工作面穿层钻孔设计示意图如图4所示。

图4 掘进工作面穿层钻孔设计示意图Fig.4 Design of drilling through layers in the working face

1.2.2掘进工作面区段递进孔瓦斯治理措施

方法:在已掘巷道内使用千米(定向)钻机向待掘巷道施工区段递进钻孔。

参数:钻孔间距5～7 m,孔径96 mm,钻孔深度至少超过待掘巷道外帮20 m。

抽采效果:23052/53巷通过采取区段递进孔措施,经过0.3～0.5 a的抽放,瓦斯含量由18 m3/t下降至6.5 m3/t,连续掘进950 m,实现了突出矿井条件下的安全、快速掘进。顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯(递进孔)钻孔设计示意图如图5所示。

图5 顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯 (递进孔)钻孔设计示意图Fig.5 Design of gas drilling (progressive hole) in pre-drainage section in bedding drilling

1.2.3掘进工作面条带密集钻孔瓦斯治理措施

方法:在递进孔不均匀区域,使用普通钻机施工密集钻孔,抽放周期0.2 a。

参数:在目标巷道至少施工正前2个/m2,联络横川1个/m2,覆盖外帮至少20 m范围,钻孔深度不小于60 m。掘进工作面条带密集钻孔设计示意图如图6所示。

图6 掘进工作面条带密集钻孔设计示意图Fig.6 Design of strip dense drilling on the driving face

顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯,巷道钻孔布置方式:自制钻机增高装置,分四排均匀布置,上排探顶、下排探底、中间两排沿着掘进方向施工。

2 矿井瓦斯管理

2.1 注重人防

2.1.1建立以总工程师为首的技术管理团队

完善以总经理为首的领导机构+总工程师为首的技术管理体系+强化全员防突意识;建立、健全了安全生产责任制体系;完善了矿井“一通三防”管理机构,配足、配齐“一通三防”专业技术人员,配足、配齐“一通三防”技术装备。

2.1.2做好矿井通风系统安全管理的制度建设

矿井通风系统安全管理主要从以下几方面着手。

1)优化矿井安全生产管理机构。在对矿井规模、组织结构、人员装备及开采条件等因素调研、分析的基础上,通过对本矿井开展安全事故统计及事故易发严重程度分析[3],对矿井安全生产管理机构进行了进一步的优化。

2)优化矿井安全生产技术管理机构。建立了权责分明、奖惩合理的管理制度,鼓励员工技术和工艺创新。

3)严格贯彻和落实矿井通风管理的规程和要求。始终坚持和严格贯彻《安全生产法》《矿山安全法》《煤矿安全规程》《防治煤与瓦斯突出细则》和《瓦斯抽采达标规定》等文件的要求,加大执行力度,将隐患消灭于萌芽状态。

4)落实“三个换空间”为抓手。以抽采时间换生产空间、以科技创新换生产空间、以加大工作量换生产空间,有条不紊地把控和落实生产组织节奏。

2.1.3提高职工思想和个人素质

通过提高职工思想认识,做到全员懂标准、会标准、用标准开展工作。

1)通过开展各级培训、组织职工外出学习及事故案例展示,让广大员工充分认识和了解到各类事故的危害性和严重性。矿井各级机构,尤其是“一通三防”部门,不断通过管理创新、技术创新,建立了完善可靠的“一通三防”管理体系,加大了瓦斯治理力度,各项规定(规程)在现场得到了有效落实。构建了矿井瓦斯治理“十二字”工作方针和矿井瓦斯综合治理“十六字”工作体系,在确保安全的前提下,通过合理组织生产,确保了矿井安全生产,实现了矿井安全生产效益的最大化。

2)总工程师带头,通风副总工程师和通风科长组织通风部门所有管理人员和技术骨干通过“早碰头”会开展日常学习,通风部门管理人员和技术骨干利用每周三学习例会、周四安全例会、班前会等会议形式向职工进行宣传,做到纵向培训、以点带面、全员覆盖、全员素质提高。

2.2 注重物防

2.2.1科学制定通风系统,确保通风充足

矿井选用AGF606-2.82-1.58-2型通风机,一用一备,电机功率:1 600 kW,运行角度:-5°,运行负压为2.45 kPa,风量为17 500 m3/min,运行平稳可靠。工作面通风双U型通风技术是经过改善后的通风系统,优点是风量大,可以为采掘工作人员提供充足的氧气,风量输送及时且方便快捷,在井下使用时运行的效果较好。

2.2.2科学高效的抽采系统

抽放系统装4台2BEC72水环泵,通过三用一备的运行方式,目前运行负压40 kPa,抽采瓦斯体积分数38%,日抽采瓦斯量2.8×105m3。采空区泵站安装5台2BEC72型水环真空泵,四用一备运行。其中两台为综采工作面上隅角尾部采空区专用抽采系统,目前运行负压22 kPa,抽采瓦斯体积分数为4%～5%,日抽采瓦斯量约3×104m3。另外两台用于其他采空区抽采,目前运行负压20 kPa,抽采瓦斯体积分数为10%～12%,日抽采瓦斯量约8×104m3,抽采能力充足可靠。

2.2.3建立煤矿井下安全监测监控系统

严格按照《煤矿安全规程》(AQ1029-2019)和《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》(AQ1029-2019)等规程和标准要求,落实各类监测监控系统的安设;建立健全安全监控系统管理规章制度,配备足够的、合格的专业技术人员,不断加强监控系统的日常维护和管理工作,保障系统的正常运行;定期对各类监控设施进行校准,保证其运行和精度的可靠性;通过不断完善预警体系,构建了安全预警管控机制和网络运行管理体系,充分发挥其监测、管控和预警功能,提高了矿井应急处置能力,使其真正成为瓦斯治理的千里眼和顺风耳。

2.2.4完善矿井灾害应急设施

坪上煤业在盘区大巷建设了永久避难硐室,在采掘工作面每500 m处建设一座临时避难硐室。采掘工作面、打钻地点及临时作业地点均安装了压风自救装置。掘进工作面安设了两道防突反向风门。为井下所有职工配备了隔绝式化学氧自救器,并在西轨、西辅两条进风大巷建设了自救器补给站,满足避灾要求并建有瓦斯抽采泵站和主通风机房。

2.3 技能防治

根据采掘工作面测定的煤层瓦斯参数,本文选择技术可靠、经济合理、效果可行的区域防突措施和局部防突措施，并开展有针对性的瓦斯抽采设计。经审定后的抽采设计,在施工过程中将严格按照设计执行，从而实现瓦斯抽采最大化[1,4]。技术人员认真开展瓦斯抽采效果评价工作,建立科学、完善的瓦斯抽采评价指标,构建了合理的瓦斯抽采单元,并进行分单元效果评价，从而防止出现抽采空白带[5-8]。

3 结论

综采工作面瓦斯抽采圈定前进行顺层钻孔预抽区段煤层瓦斯,圈定后进行顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯,累计抽采瓦斯2.5×107m3,瓦斯含量由15 m3/t下降至6.8 m3/t。通过在已掘巷道内使用千米(定向)钻机向待掘巷道施工区段递进钻孔进行瓦斯治理,瓦斯含量由18 m3/t下降至6.5 m3/t。在递进孔不均匀区域,使用普通钻机施工密集钻孔,进行掘进工作面条带密集钻孔瓦斯治理。此项实践可借鉴应用于突出矿井的瓦斯防治中,能够起到快速消突,预防突出事故,从而促进安全生产。

通过人防、物防、技防等促进了矿井灾害预防系统的不断完善,提高了灾害应急处理水平,进一步夯实提升煤矿安全管理水平。本文通过管理创新、技术创新,建立了完善可靠的“一通三防”管理体系,加大了瓦斯治理力度,各项规定(规程)在现场得到了有效落实。