综放面褶曲构造瓦斯超限治理技术实践

袁文清

(山西省阳泉固庄煤矿,山西省阳泉市,045060)

综放面褶曲构造瓦斯超限治理技术实践

袁文清

(山西省阳泉固庄煤矿,山西省阳泉市,045060)

针对固庄煤矿15707综放工作面回采期间遇褶曲带,又逢周期来压,上隅角、专用排瓦斯巷、回风巷瓦斯严重超限,致工作面停产,采用常规处理方法进行治理收效甚微。分析瓦斯超限的原因确定了两个治理方案,并比较了优缺点,采取以15707备采巷和专用排瓦斯巷施工抽放钻孔对上隅角瓦斯进行抽放。随着工作面的推进,未出现瓦斯超限,顺利通过褶曲带。

褶曲带 瓦斯超限 备采巷 专用排瓦斯巷 钻孔抽放

1 工作面概况及瓦斯超限情况

固庄煤矿15707工作面开采15＃煤层,走向长1400 m,倾斜长180 m,采用走向长壁后退式放顶煤综合机械化采煤法。煤层厚5.18～8.58 m,均厚6.88 m。切眼以东80 m处发育有背斜、向斜,沿走向长度约45 m;向斜位于进风巷38点(巷道掘进过程中的测绘控制点),走向约186°,该构造造成局部煤层倾角大于9°,两翼落差大于3 m,并伴有煤岩层破碎;背斜位于进回巷35点,走向约180°,两翼倾角小于10°,总体与向斜平行发育。

15707工作面通风系统为一进两回,设有专用排瓦斯巷(下面称尾巷),进风巷风量1400 m3/ min,回风巷风量800 m3/min,尾巷风量600 m3/ min。本煤层进风巷、回风巷均布置有抽放管路。15707工作面从2014年5月1日开始回采,推进度2.4 m/d,6月12日工作面进入向斜一翼,尾巷、上隅角、回风巷超限,尾巷瓦斯浓度最高达到3%,上隅角瓦斯浓度最高达到6%,回风巷瓦斯浓度最高达到1.8%。采取挂风幛,加大风量等方法治理瓦斯浓度超限,但收效甚微,停产2 d,待瓦斯缓慢稀释排出后,恢复生产。恢复生产后传感器报警频繁,断断续续影响生产,直至6月20日基本顶周期来压,尾巷、上隅角、回风巷瓦斯严重超限,不得不停产,此次采取脉动通风法、纵向风幛法、高位巷抽放法以及间歇式生产法等,治理效果不大,只能再次研究彻底解决的办法。6月15日—20日尾巷、上隅角、回风巷瓦斯报警次数如图1所示。

图1 瓦斯报警次数统计图

2 瓦斯超限原因分析

2.1 褶曲构造影响

由于15＃煤层向斜和背斜交替发育区域属典型的瓦斯圈闭构造,工作面推进86 m后逐渐进入构造的一翼,煤层节理发育丰富,孔隙多,煤质疏松,给瓦斯解吸发散创造了条件。15＃煤层本身就富含游离态瓦斯,又经采动影响,吸附态瓦斯迅速转变为游离态,经割煤、落煤、运煤环节汇集至回风系统。

2.2 采空区瓦斯涌出

随着15707工作面开采至工作面周期来压,采空区空间在不断地加大,割煤和放顶煤的遗煤也在不断增多,同时释放的瓦斯也在不断地增加。由于瓦斯的比重小于空气比重,同时,在漏风风流的作用下,瓦斯会向冒落带和裂隙带流动,在采空区上覆岩层横三区、竖三带的运动作用下,将采空区瓦斯压入工作面,进入回风系统。

2.3 下隅角漏风

下隅角漏风问题是回采工作面直角布置无法避免的问题。漏风带在后部输送机机头支架尾梁处。少部分风流直接进入采空区,大部分风流沿后部输送机运行,将采空区瓦斯带至上隅角,然后在上隅角形成涡流,经扰动后缓慢进入回风系统。

3 治理方案确定

通过对瓦斯超限原因分析、现场感知和比较历史数据,15707工作面瓦斯超限的主要原因为褶曲构造本身瓦斯含量大,加上周期来压影响所致。而15＃煤层抽放钻孔统一水平布孔,不带仰角,未考虑褶曲区的瓦斯赋存方位,导致本煤层抽放系统满负压运行,不能解决超限问题。在应用常规瓦斯超限治理方法失败后,只能从临时加强抽放的角度去考虑,依据综放面瓦斯集中于尾巷和上隅角的常识,把抽放的重点放在对尾巷和上隅角的抽放上,遵循安全、经济、快速、预期效果好的原则确定治理方案。

方案一:在尾巷顶板直接铺设网孔管路至尾巷末端,对采空区及尾巷瓦斯进行抽放,同时备采巷施工钻孔对上隅角瓦斯进行抽放。

方案二:在尾巷和备采巷施工钻孔,同时对上隅角进行抽放。

两方案进行比较,单从抽放角度考虑,在瓦斯集中的两巷同时抽放,能够快速降低瓦斯浓度,方案一优于方案二。但是方案一施工难度大,仅在尾巷顶板施工吊挂管路一项就费时费力,长时间在瓦斯超限的尾巷作业于安全不利;再就是管路的回收难度大,分段提前回收,降低了抽放效果,不回收则造成材料浪费;从负压抽放的空间来说,尾巷空间大,瓦斯浓度低于上隅角,也不利于集中抽放。而方案二的施工难度和施工量相对低,瓦斯在上隅角的流动速度缓慢,滞留时间长,可以形象比喻为小瓦斯库,易于集中抽放;抽放管路可分段回收。在瓦斯涌出总量波动不明显的情况下,其缺点是相对于方案一预期抽放时间长。

两个方案比较后,决定采用方案二,利用备采巷、尾巷施工抽放钻孔,铺设抽放管路,同时对上隅角进行抽放,彻底解决15707工作面瓦斯超限问题。

3.1 快速抽放施工的可行性

(1)固庄煤矿有完善的直接抽至地面瓦斯罐贮存利用的抽放系统,尾巷和备采巷所在七采区抽放总管设在七采区总回风巷,由于掘进过程中,每条巷道均有独立的专用回风巷与采区总回风相通,故支管与总管能快速连接。

(2)尾巷和备采巷的宽度、高度、长度适合多台ZDY－1250型液压坑道钻机平行作业。

(3)尾巷和备采巷与15707回风巷距离近,钻孔施工速度快,偏差小。

3.2 两巷位置及参数

尾巷布置在煤层顶板中,水平投影与回风巷中至中10 m,沿走向贯穿于整个工作面,巷道为矩形断面,宽3.4 m,高2.2 m;备采巷位于15707回风巷北,两巷中至中30 m,中间为保护煤柱,此巷于2014年4月掘进完毕,巷道为矩形断面,宽4.3 m,高2.6 m。

4 抽放施工及参数

4.1 终孔位置的确定

终孔位置的确定关系到抽放的效果,是上隅角瓦斯抽放的关键。

(1)用单元法测定上隅角瓦斯浓度区为支架切顶线附近,沿走向长约5 m,沿倾向宽约3 m,高度约1 m,所以钻孔终孔位置设置在此区域。

(2)回风巷采取锚杆、锚索、钢带联合支护,由于过构造不退锚,端头不放顶煤等原因,切顶线后方煤层冒落高度仅约1 m,此范围属测定的高浓度瓦斯区,尾巷钻孔终孔位置设在此区域内,终孔位置垂直高度距回风巷底板3.6 m,水平距离距回风巷北帮0.9 m,如图2所示。

图2 钻孔施工图

(3)考虑备采巷和尾巷终孔位置不集中于一点,为达到更好地抽放效果,确定备采巷终孔与尾巷终孔水平交错1.2 m,设于回风巷北帮,垂直高度2.6 m,如图2所示。

4.2 钻孔施工参数

(1)尾巷钻孔施工。在尾巷北帮距底板1 m处开孔,施工20组钻孔,第一组距工作面煤壁5 m处,组距2.4 m,每组施工3个水平平行钻孔,钻孔参数见表1。

(2)备采巷钻孔施工。在备采巷南帮距底板1 m处开孔,施工20组钻孔,组距2.4 m,每组施工3个平行钻孔,钻孔参数见表1。

表1中倾角以备采巷和尾巷水平高差近似为零取值,而实际施工过程中,须以两巷实际底板标高为准,准确计算出倾角,以保证终孔位置不出现偏差。

表1 钻孔参数表

4.3 施工要求

(1)备采巷配备3台钻机,三班连续平行作业;尾巷配备4台钻机,三班连续平行作业,所有施工人员携带便携式瓦斯检测仪,并有瓦斯员跟班循环检测。

(2)两巷铺设ø200 mm的聚乙烯管,每两组钻孔安设一个截止阀,每组钻孔处留三通用软管与孔口管相连,封口管采用ø108 mm、长2 m铁管,缠麻袋片后用聚胺脂发泡剂封严封实。

(3)尾巷钻机油泵置于15707回风巷新鲜风流处,油泵近距离控制操作。

(4)工作面每推进2.4 m(2个正规循环),关闭尾巷和备采巷前一截止阀。

(5)备采巷截止阀关闭后,及时将两组钻孔用水泥砂浆封堵。

5 治理效果

工作面从6月20日停产,开始在两巷施工抽放钻孔,铺设管路,6月24日抽放系统完善,开始连续抽放。现场观察测定数据12 d,并由实测数据绘制瓦斯浓度变化,见图3。由图3可以看出, 6月24－27日尾巷、回风巷瓦斯浓度迅速下降,之后尾巷在2%左右徘徊,回风巷在0.5%左右徘徊,抽放效果显著。说明初期两巷的瓦斯浓度高是周期来压所致,6月27日后周期来压基本结束,瓦斯的涌出和抽放和风排达到了新的平衡。瓦斯抽放浓度情况见图4。从图4可以看出,备采巷和尾巷的抽放浓度初期达到了7.8%和6.5%,6月27日后同样趋于平稳。

图3 瓦斯风排浓度

图4 瓦斯抽放浓度

从6月27日生产恢复至7月6日以加权平均计算:尾巷瓦斯浓度为2%,排出瓦斯量12 m3/ min;回风巷为0.5%,排出量4 m3/min;尾巷抽放管流量100 m3/min,瓦斯浓度为5%,抽出瓦斯量为5 m3/min;备采巷抽放管流量120 m3/ min,瓦斯浓度为6.5%,抽出瓦斯量为7.8 m3/ min,尾巷和备采巷抽放总量为12.8 m3/min,占瓦斯涌出总量的44.5%,抽放率达到44.5%。随着工作面的推进,抽出和风排基本稳定,直至褶曲带结束。

6 结语

(1)在综放工作面遇地质构造如断层、无炭柱、褶曲,矿井和工作面均有完善的抽放系统,但工作面瓦斯仍频繁超限时,利用尾巷和备采巷抽放可以作为紧急治理技术使用。

(2)对于高瓦斯煤层,采掘衔接合理,利用备采巷抽放可以示范推广。

(3)尾巷应在回采前完善抽放管路,作为先抽后采的目标巷道之一。

(4)尽管瓦斯地质预测技术不尽如人意,但最佳的办法仍旧是提前勘探,提前设计抽放钻孔,提前对地质构造带预抽,使瓦斯含量大幅下降,为回采奠定基础。

[1] 吴兴飞.地质构造对区域瓦斯影响及治理对策[J].地球,2013(7)

[2] 张国辉,韩军等.地质构造形式对瓦斯赋存状态的影响分析[J].辽宁工程技术大学学报,2005(1)

[3] 戴永禄.影响屯兰矿2＃、8＃煤层瓦斯赋存的地质因素分析[J].中国煤炭,2011(9)

[4] 杨胜强,俞启香等.旋转环形射流对上隅角积聚瓦斯的作用机理[J].煤炭学报,2001(4)

[5] 黄晓波,关志强.治理回采面上隅角瓦斯积聚[J].煤炭技术,2007(4)

[6] 郝长胜,孙宝雷等.采空区埋管抽放技术在采煤工作面的应用[J].煤,2010(4)

[7] 袁亮,刘泽功.淮南矿区开采煤层顶板抽放瓦斯技术的研究[J].煤炭学报,2003(2)

[8] 张再镕,杨胜强等.单一煤层超长综采面上隅角瓦斯的治理[J].煤矿安全,2009(1)

[9] 赵宁,戴广龙,张瑞.底抽巷一巷两用瓦斯治理技术实践[J].煤炭科学技术,2014(2)

[10] 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用手册[M].北京:煤炭工业出版社,2005

[11] 张铁岗.矿井瓦斯治理技术[M].北京:煤炭工业出版社,2001

[12] 袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社,2004

[13] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992

[14] 周世宁,林柏泉.煤层瓦斯赋存与流动理论[M].北京:煤炭工业出版社,1999

[15] 国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社,2011

[16] 范满长,杨胜强等.综采面瓦斯来源与浓度分布单元法测定及分析[J].煤炭科学技术,2004(3)

[17] 朱国维,宋韦剑等.淮南矿区潘三矿地质构造及煤与瓦斯突出特征[J].中国煤炭,2008(7)

[18] 何俊,董开元.大断面煤层巷道瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究[J].中国煤炭,2014(2)

[19] 庞禹东.阿刀亥矿急倾斜煤层瓦斯赋存影响因素分析[J].中国煤炭,2013(3)

(责任编辑 张艳华)

The practice of managing gas overrun resulted from the fold structure in fully mechanized top coal caving face

Yuan Wenqing
(Shanxi Yangquan Guzhuang Coal Mine,Yangquan,Shanxi 045060,China)

The normal method had a poor effect on managing gas overrun in the return corner,the special gas drainage gateway and the return roadway,resulting in the suspension of work face,when the 15707 top coal caving face encountered the fold structure and the periodic weighting in Guzhuang Coal Mine.The two managing schemes were proposed by analyzing the causes of gas overrun.By comparing the advantages and disadvantages of the two schemes,the gas drainage in the return corner was implemented by drilling holes in the 15707 intake and the special gas drainage roadway.With the advancing of working face,the gas overrun in the return corner had not happened and the working face had smoothly passed the fold structure zone.

fold structure zone,gas overrun,preparation mining roadway,special gas drainage roadway,drilling-hole gas drainage

TD712.6

A

袁文清(1970－),男,山西盂县人,采矿工程师,注册安全工程师,现在山西省阳泉固庄煤矿救护队从事矿山应急救援管理工作。