大气压条件下综放工作面瓦斯治理技术研究

2023-03-07尚学锋

山东煤炭科技 2023年1期

关键词：上隅角大气压综放

王平朱鹏尚学锋

（河南能源化工集团新疆投资控股有限公司榆树岭煤矿，新疆阿克苏 842000）

大气压变化对瓦斯涌出具有一定程度的影响，为解决榆树岭煤矿瓦斯涌出随大气压的变化问题，通过现场观测、通风优化及瓦斯抽放技术进行研究[1-5]，对榆树岭煤矿大气压变化条件下综放面及采空区瓦斯涌出治理提供技术及理论依据。

1 工作面概况

试验区选择110501 综放工作面，110501 综放工作面为11 采区首个综放工作面，工作面改造巷倾向长度57 m，平均坡度10°。110501 综放工作面开采煤层属于高瓦斯煤层，其相对瓦斯涌出量为2.790 m3/t。

2 大气压作用综放面瓦斯涌出规律研究

2.1 综放面瓦斯涌出预测

2.1.1 开采煤层瓦斯涌出量预测

根据110501 综放面设计情况，对分源预测法中公式的参数进行测定取值，见表1。

将上述参数带入分源预测法中计算，选取工作面日进尺为2.58 m，当放顶煤回采率为80%时，可得Q1=3.465 m3/t，Q2=4.366 m3/t，Q3=0.096 5 m3/t，Q4=1.2 m3/t，即Q本=9.127 5 m3/t。

2.1.2 邻近层瓦斯涌出量预测

根据上述计算方法对各邻近层参数进行取值，瓦斯排放率取38%，见表2。

表2 邻近层相对瓦斯涌出量取值表

计算可得工作面回采率为80%时，邻近层相对瓦斯涌出量为Q邻（下7）=1.178 m3/t，

Q邻（下8）=0.089 88 m3/t，即Q邻=1.268 m3/t。

2.2 大气压动态变化规律

通过现场监测得到了2020 年6 月—2021 年6月榆树岭矿全年气压变化数据，绘制了榆树岭煤矿全年气压波动图，如图1。

图1 榆树岭煤矿地面大气压全年变化图

由图1 可得，矿区夏季日照时间最久，可达16 h 之上，冬季白天日照时间最短但仍达10 h 之上。通过监测榆树岭矿地面大气压分析得到，榆树岭矿区全年大气压为80.8～83.5 kPa，平均为82.2 kPa。

2.3 大气压力变化与瓦斯涌出量关系

2.3.1 大气压变化与上隅角瓦斯浓度关系

工作面回采过程中，对上隅角瓦斯浓度进行持续监测，绘制地面大气压与上隅角瓦斯浓度变化关系，如图2。

图2 为2021 年上半年地面大气压与上隅角瓦斯浓度变化关系。自2 月份矿区整体气温回升，造成地面大气压开始下降，且整体波动较为明显。在2021 年上半年中2 月26 日、3 月15 日、3 月30 日和4 月31 日地面大气压出现波动，随后上隅角瓦斯增大。可以得到：大气压变化引起的工作面气压变化与上隅角瓦斯浓度呈负相关变化关系。

图2 地面大气压与上隅角瓦斯浓度变化关系

2.3.2 大气压变化与绝对瓦斯涌出量关系

根据大气压变化引起的工作面绝对瓦斯涌出量变化，首先分析大气压变化与相对瓦斯涌出量的关系，如图3。

图3 地面大气压与绝对瓦斯涌出量变化关系

由图3 可以看出，大气压变化引起的工作面气压变化与绝对瓦斯涌出量呈负相关变化关系，即大气压快速持续降低期间，采空区内瓦斯涌出速率由小增大，前期变化相对较慢，其涌出速率和涌出量在较长时间积累时会达到瓦斯超限阈值，影响安全生产；当大气压降低趋势停止，一段时间内矿井内的瓦斯涌出量明显降低，瓦斯超限警报便迅速解除。

3 大气压影响下综放面瓦斯治理技术

3.1 综放工作面瓦斯抽采方案

根据瓦斯抽采钻孔平均抽采流量12～15 m3/min，平均瓦斯抽采浓度2%～3%计算，单孔瓦斯抽采纯量为0.24～0.45 m3/min。因此，应在回风顺槽施工普通高位钻孔和定向高位钻孔，对采空区裂隙带瓦斯进行抽采。定向高位钻孔每循环布置11 个钻孔，钻孔终孔点位于下5 煤层顶板20～60 m，钻孔控制范围为回风顺槽上帮向下沿倾向距离30 m 范围；普通高位钻孔每循环布置7 个钻孔，钻孔终孔点位于下5 煤层顶板20～40 m，钻孔控制范围为回风顺槽上帮向下沿倾向距离45 m 范围。

3.2 综放工作面瓦斯抽采效果分析

抽采起始于2020 年4 月，结束于2021 年5 月，共14 个月，取各月抽采平均值，得出纯瓦斯抽采流量及瓦斯纯量变化图，如下图所示。

由图4 可以看出，高位钻孔布置后，当出现大气压降低趋势，工作面瓦斯涌出量增大，从而甲烷浓度增大。抽采流量变化趋势基本与瓦斯浓度变化曲线相吻合，符合抽采设计要求。抽采流量持续下降，直至抽采结束时，根据现场监测瓦斯抽采纯量在290.5～1 562.3 m3/min，瓦斯抽采流量在0.29～0.94 m3/min，达到设计要求。