采煤工作面回风隅角瓦斯积聚治理技术研究

陈汝旭

(山西焦煤汾西矿业集团 高阳煤矿,山西 孝义 032306)

采煤工作面普遍采用U型通风方式,该种通风方式具备通风系统简单、通风阻力小以及通风路线短等优点,但是当采面回采煤层瓦斯涌出量大时,容易在回风隅角位置出现瓦斯集聚问题,进而影响采面煤炭安全回采[1-4]。文中以山西某矿3505采煤工作面瓦斯治理为工程背景,对采面回采期间回风隅角瓦斯体积分数偏高原因进行分析,并针对性地提出瓦斯集聚治理技术,为采面煤炭高效回采提供了安全保障。

1 工程概况

3505采煤工作面回采长度为1 780 m、切眼斜长为247 m.采面回采的3号煤层厚度为2.3～3.5 m,均值2.9 m;煤层倾角0°～7°,均值4°.煤层顶底板岩性以细砂岩及砂质泥岩为主,具体岩性参数如表1所示。3505采煤工作面回采范围内煤层赋存稳定,采面中部位置即可距切眼670～980 m范围内发育有断层、褶曲等地质构造,预计该范围内煤层瓦斯体积分数有所增大。

表1 3号煤层顶底板岩性参数

3505采煤工作面采用U型通风方式,回采巷道均为矩形断面(净宽×净高=4.8 m×2.9 m),采面回采期间瓦斯绝对及相对涌出量分别为4.25 m3/min、0.86 m3/t.截至2023年6月18日,3505采煤工作面已推进680 m,在开切眼至675 m范围内回采时,采面回风隅角瓦斯体积分数相对较为稳定且低于允许值,而在675～680 m范围内回采时,采面揭露有F3-1断层(H=1.9 m,∠48°),在断层影响范围内瓦斯涌出量有所增大,从而导致采面回风隅角瓦斯体积分数偏高,采用风排方式无法满足瓦斯排放需要,回风隅角位置存在瓦斯超限风险。

2 回风隅角瓦斯体积分数偏高分析

1) 地质构造。采面回采至断层、褶曲影响范围内时煤岩体裂隙发育,瓦斯容易在构造带附近集聚,瓦斯含量偏高;3505采煤工作面在地质构造影响范围内回采时,煤体容易出现片帮,从而导致采面瓦斯快速溢出,容易引起采面、回风隅角以及回风流等位置瓦斯增多,甚至引起瓦斯超限问题。

2) 采空区漏风。3505采煤工作面选用U型通风方式,采面风量为1 950 m3/min,由于采面上下端头与巷帮间存在较大间隙,从而导致采空区漏风量较大,在通风负压影响下,采空区内高体积分数瓦斯从回风隅角位置涌出,从而导致回风隅角位置出现瓦斯集聚[5-6]。

3) 邻近采面采空区瓦斯。3505采煤工作面与邻近的3503采空区间留设有25 m宽护帮煤柱,3505采煤工作面揭露的断层等构造经煤柱向3503采空区延伸,在构造影响范围内,煤柱裂隙发育并形成漏风通道,引起3503采空区瓦斯向3505采煤工作面回采空间涌出,导致回风隅角瓦斯集聚。

3 回风隅角瓦斯集聚治理技术

3.1 采空区埋管抽采

3505采煤工作面北侧为回采完毕的3503采空区、南侧为圈定的3507工作面(采面回采巷道已掘进完毕),3505回风巷与3507进风巷间留设有25 m宽的护巷煤柱,同时在煤柱上按照100 m间隔布置联络巷(矩形断面,净宽×净高=4.0 m×2.9 m)。在联络巷内施工有密闭墙,通过密闭墙施工2根Φ219 mm的抽采支管并与3507进风巷内铺设的抽采管路连接;在3505采煤工作面回采前密闭所有的抽采支管,当采面回采推进过密闭墙后,打开抽采支管,放入Φ130 mm的抽采软管,并与3507进风巷内的抽采管路连接,实现采空区瓦斯抽采。当采面回采至第二个密闭墙时,开启此位置的抽采支管并安装抽采软管,实现采空区瓦斯抽采。此时上一个密闭墙抽采支管密闭并拆抽采管路,依次类推直至采面回采结束。具体采空区埋管抽采布置如图1所示。

图1 回风隅角瓦斯综合治理措施布置示意

3.2 高位瓦斯抽采

为减少对3505采煤工作面煤炭回采影响,在3505回风巷按照400 m间隔布置1个钻场,深×宽×高=5.0 m×5.0 m×2.9 m,钻场顶板及巷帮用锚网索方式支护。在钻场内布置4个高位裂隙钻孔(编号1号～4号),钻孔孔径统一为75 mm,孔深450 m,钻孔开孔距顶板0.8 m,间距1.0 m.钻场内1号～4号钻孔向3505采空区方向偏角分别为10°、20°、30°、40°,钻孔终孔位于煤层顶板20～30 m位置;钻孔施工完成后,在钻场内布置抽采软管并与回风巷内抽采主管连接;采面回采距钻场10 m时,及时封堵钻场内的抽采钻孔,邻近的钻场高位钻孔开始进行瓦斯预抽。

3.3 回风隅角增设风水射流器

在采面液压支架下方与回风上隅角间距10 m位置增设风水射流器。采用的风水射流器主要组成单元包括加压泵、储水箱、风水管路、环形喷雾装置等[7-8],配备电机功率为5 kW,环形喷雾装置布置在距离回风隅角2 m位置。3505采煤工作面回采时,开启风水射流器通过加压泵将水从环形喷雾装置中喷出,通过喷出水雾增加回风隅角风量并降低粉尘质量浓度。

4 结 语

1) 3505采煤工作面在670～980 m范围内回采时,受地质构造、采空区漏风、煤层瓦斯涌出量大等多重因素影响,回风隅角瓦斯体积分数偏高,存在一定的超限风险。为此,结合3505采煤工作面及邻近的3507采煤工作面回采巷道布置情况,提出综合使用采空区埋管、高位定向长钻孔、增设风水射流器等方式进行回风隅角瓦斯集聚治理。

2) 利用3505回风巷与3507进风巷保护煤柱上间隔100 m布置的联络巷布置采空区埋管抽采钻孔,对采空区瓦斯进行持续接抽,埋管布置简单且抽采量大;通过在回风巷布置高位定向钻孔,对顶板裂隙高浓度瓦斯进行抽采,钻孔覆盖范围广且对采面生产影响较小;在回风隅角增设风水射流器,利用喷射的水幕增大回风隅角风量。现场应用后,3505采煤工作面在后续回采期间,回风隅角瓦斯体积分数始终保持在0.5%以内,实现了瓦斯有效治理。