胡献伍赵荣才陈 江

(1.江苏省徐州机电工程高等职业学校,江苏省徐州市,221011; 2.徐州矿务集团有限公司夹河煤矿,江苏省徐州市,221000)

夹河煤矿深部采区瓦斯涌出特征及防治技术

胡献伍1赵荣才2陈 江2

(1.江苏省徐州机电工程高等职业学校,江苏省徐州市,221011; 2.徐州矿务集团有限公司夹河煤矿,江苏省徐州市,221000)

针对夹河煤矿－1010 m采区9445工作面回风流瓦斯高、制约工作面高效生产的问题,提出了采用开采保护层、瓦斯综合抽采的瓦斯治理技术。对瓦斯抽采各项技术参数进行采集分析,优化了瓦斯抽采各项参数,保障了综采工作面的安全高效回采。

深部采区 瓦斯涌出特征 开采保护层 高位抽采 采空区抽采

1 概况

徐州矿务集团有限公司夹河煤矿1999年以前矿井开采水平位于－600 m以上,瓦斯相对涌出量为4～6 m3/t,绝对涌出量在10 m3/min左右; 2000年以后矿井开采进入－800 m水平以下,瓦斯涌出量明显增加,特别是进入－1010 m水平后,工作面瓦斯涌出量达到15～30 m3/min,在采取了瓦斯抽放措施后,回风流瓦斯浓度仍达到0.7%～0.8%。因此,有必要对矿井深部高瓦斯工作面瓦斯涌出规律进行研究,优化抽放参数,提高瓦斯抽采率,降低工作面回风流瓦斯浓度,为工作面安全高效回采创造条件。

2 夹河矿井深部采区瓦斯涌出特征

2.1 开采深度与瓦斯涌出量的变化关系

矿井共划分为6个水平进行开采,其中第一水平－280 m,为主井和风井的落底水平;第二水平－450 m及第三水平－600 m已开采结束;第四水平－800 m及第五水平－1010 m为现生产水平;第六水平－1200 m为延深水平,现正在进行开拓施工。根据开采期间瓦斯等级鉴定结果,随着开采深度的增加,瓦斯涌出量不断增大,特别是进入－800 m水平,瓦斯涌出量增加明显。

2.2 回采工作面围岩应力分布与瓦斯涌出的关系

夹河矿采用冒落法管理采空区,随着采空区面积的增加,围岩应力场受到采动影响的范围不断扩大,围岩移动区域也相应扩展。根据矿压观测资料,回采工作面原始应力区一般位于工作面前方距煤壁大于60～150 m处,岩石处于原始应力场,透气性系数为原始值;集中应力区出现在工作面前方距煤壁60～150 m到4～5 m范围内,岩层处于受采动影响形成的应力集中场中,煤、岩层的孔隙率显著降低,透气性系数大大降低;应力降低区出现在工作面煤壁前方4～5 m到采空区内50～150 m处。在应力降低区,岩层得到充分的卸压、裂隙开始发育,并开始互相贯通,形成瓦斯的良好流通通道。为实施高位钻场顶板走向长钻孔抽放瓦斯创造了条件。

2.3 采动裂隙场与瓦斯涌出的关系

夹河矿各煤层在采动后,由于应力变化导致煤层上覆岩层内裂隙发育、互相沟通,同时,煤岩体内裂隙还会与采场和采空区沟通,即存在瓦斯涌出通道。流向采空区的瓦斯按来源可分为来自于开采煤层的瓦斯和上邻近层或下邻近层的卸压瓦斯。采空区的瓦斯沿顶板裂隙向上部离层裂隙区转移,逐步聚集在采空区顶板裂隙带内。对于采用上行通风的工作面,来自于采空区遗煤析出的瓦斯运动轨迹如图1所示;对于来自上、下邻近层的瓦斯涌向采空区的流动轨迹如图2所示。

图1 本煤层采空区瓦斯流动示意图

图2 下邻近层的瓦斯涌向采空区的流动

3 夹河煤矿瓦斯综合治理措施

夹河煤矿共有2＃、7＃、9＃可采煤层,主采7＃、9＃煤层。9445工作面开采9＃煤层,由于9445工作面走向范围受一条贯穿整个工作面落差大于10 m的断层影响,工作面分里面和外面进行回采。9445工作面里面的上覆7＃煤层未采,9445工作面外面的上覆7＃煤层已回采结束,本文对9445工作面里面和外面的瓦斯涌出情况进行分析,作为7＃煤层开采后对9＃煤层保护效果的研究依据。

3.1 开采保护层

9445工作面与上方邻近7＃煤层层间距为28～30 m,与下方邻近层(不可采的10＃煤层)层间距4～5 m。在9445工作面里、外面回采期间,工作面每推进2 m,对回风流中瓦斯浓度、瓦斯涌出量及瓦斯抽采量进行测量,直至工作面推进70 m停止测量。其推进距离与瓦斯浓度变化关系如图3所示,推进进度与瓦斯涌出量变化关系如图4所示。

图3 9445工作面里、外面回风流瓦斯浓度随工作面推进度变化关系

图4 9445工作面里、外面绝对瓦斯涌出量随工作面推进度变化关系

9＃煤层处于7＃煤层的卸压保护范围内,将7＃煤层作为上解放层开采后可以对相应的9＃煤层工作面起到有效的保护作用。当7＃煤层作为上解放层开采后,相应的9＃煤层工作面瓦斯涌出量明显下降,相对瓦斯涌出量降低了3.73 m3/t,绝对瓦斯涌出量降低了5.71 m3/min,瓦斯涌出量下降33.7%。9445工作面里面回采期间,回风流平均瓦斯浓度达到0.55%,9445工作面外面回采期间,回风流平均瓦斯浓度降至0.28%,回风流瓦斯浓度降低了0.27%。9445工作面里面回采时月平均瓦斯报警次数为14次,9445工作面外面回采时则降低至3次,保障了工作面的安全高效回采。

3.2 瓦斯综合抽采

9445工作面根据地质条件、采掘工艺和工作面接续、瓦斯涌出量、涌出规律、邻近层状况,采用高位钻场顶板走向长钻孔瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采技术进行了瓦斯综合治理。

3.2.1 高位钻场顶板走向长钻孔瓦斯抽采

9445工作面高位钻场顶板走向长钻孔瓦斯抽放技术通过在材料道每隔60～100 m打上山向顶板开掘一个钻场,通过在钻场内施工顶板走向钻孔,使终孔点进入到采空区顶板裂隙带范围内,用来抽放采空区内瓦斯,防止采空区瓦斯涌入工作面造成瓦斯超限。高位钻场顶板走向长钻孔瓦斯抽放见图5所示。

图5 高位钻场顶板走向长钻孔瓦斯抽放

(1)钻场间距的确定。根据钻孔的有效利用率以及钻场开掘工程量的大小,钻场合理间距需要通过钻孔的实际抽出量进行确定。本文选取间距分别为60 m、80 m、100 m的6＃、7＃、8＃3个钻场,分别对其瓦斯抽出量进行测定,将数据绘制见图6。从图6可以看出,钻场抽放量随着钻场间距的加大而减小,但减小幅度有限。经实测,间距80 m的钻场仅比60 m的少抽出0.54 m3/min,抽放量减少4.9%;而间距100 m的钻场比80 m的少抽出3.02 m3/min,抽放量减少28.5%。故确定钻场间距为80 m。

图6 不同间距钻场瓦斯抽出量关系图

(2)钻孔长度的确定。在9445工作面里面1＃钻场抽放期间内,工作面每推进5 m记录一次高位抽放浓度及流量数据,将数据绘制成曲线图,见图7。由图7可以看出,瓦斯浓度呈现始抽段、高浓度段和衰减段3个阶段变化趋势,当钻孔在90～40 m时,高位抽放处于高浓度段,抽放效果比较理想,抽放瓦斯浓度9%以上。当钻孔长度剩25 m时,抽放效果明显下降,抽放瓦斯浓度下降至6%左右。由此可推出,当两个钻场相距80 m时,将钻孔深度控制在110 m,钻孔重叠长度确定为30 m,前后钻场高浓度区段可以衔接严密,有效解决前后钻场交替时高位抽放效果差的问题。

图7 高位抽放浓度与平距关系图

(3)钻孔数量的确定。为了考察高位钻孔数量与抽出量之间的关系,选择了9445工作面6＃、7＃、8＃钻场钻孔数与瓦斯抽出量关系进行测定分析。6＃、7＃、8＃钻场使用同一台抽采泵抽采,钻场间距均为90 m,钻孔控制范围基本一致。6＃、7＃、8＃钻场钻孔数量分别为5个、7个、9个,测定时间从前一钻场进入采空区开始,连续测定30 d,每天每小班测定一次后取平均值,根据测定数据绘制的抽放时间与抽放量关系见图8。从图8可以看出,每个钻场进入稳定阶段后,6＃、7＃、8＃钻场的稳定平均值分别为8.1 m3/min、8.6 m3/min、9.3 m3/min,9个孔的钻场瓦斯抽放量比7个孔和5个孔的钻场分别增加了0.9 m3/min和1.2 m3/min,钻场抽放量随着钻孔数的增多而提高,但增加幅度有限,7个孔的钻场抽放量比5个孔的提高6.2%,9个孔的钻场抽放量比5个孔的提高14.8%,而打钻成本和工时却增加了80%。因此,综合多种因素考虑,夹河矿高位抽采每个钻场钻孔数量确定为5个。

图8 钻孔数量与抽出量关系示意图

来自本煤层或邻近层的瓦斯,会在浮力作用下沿采动裂隙带裂隙通道上升,聚集在裂隙带上部的离层裂隙内。本项目对该离层裂隙高度进行了试验测定,经过分析确定夹河煤矿9＃煤层裂隙带最佳抽放高度范围在11.2～19.6 m,提出高位钻孔在设计时,应将终孔点高度控制在最优抽放范围的上限高度,可以提高高位抽放效果。

3.2.2 采空区瓦斯抽采

采空区回风隅角的瓦斯涌出仅依靠通风方法不能得到解决时,利用采空区瓦斯抽放较为有效。根据夹河矿实际条件,采用采空区全封闭式抽放,即在回风隅角砌筑一道临时密闭墙,在墙内插入抽放管路进行瓦斯抽放。在工作面回风巷内敷设10英寸PVC管,管路每隔24 m接1个三通管件作为抽放采空区瓦斯的吸气口。随着工作面推进,管路上的吸气口进入采空区内最佳抽放位置,通过此口抽放采空区瓦斯,从而防止采空区瓦斯向工作面涌出,消除工作面上隅角瓦斯超限和积聚。

为了研究抽放口距工作面距离与埋管抽放瓦斯效果的关系,将埋管管路从一节三通处断开,然后埋入上隅角临时密闭墙内,随着工作面推进记录抽放口距工作面的距离与抽放瓦斯浓度和流量,采空区瓦斯抽放量随抽放管口距工作面距离的变化关系如图9所示。可见,随着工作面的推进,抽放位置逐渐远离工作面,其内瓦斯浓度及瓦斯抽放量呈现出先升高后降低,最终保持在一个恒定值。观测分析结果表明,采空区瓦斯抽放最佳位置是在距工作面30～60 m的范围内。

图9 抽放量与管口距工作面距离的关系

抽放采空区瓦斯对工作面的安全生产存在着两面性,优点是减少采空区瓦斯涌出量,减轻工作面通风负担;缺点是采空区漏风量增大,易引起采空区煤炭自然发火。所以,在进行采空区抽放前,必须采取采空区防漏风措施。

4 结论

(1)上解放层的开采保障了工作面的安全高效回采。7＃煤层作为上解放层开采后,9＃煤层受到采动影响,瓦斯压力降低了55%,瓦斯涌出量下降33.7%,月平均瓦斯报警次数从14次降低至3次。

(2)确定和优化了瓦斯抽采的各项参数。对高位钻场顶板走向长钻孔瓦斯抽放技术参数,通过大量的实测数据分析,确定高位钻场间距宜为80 m,钻孔的重叠长度应不低于30 m,钻孔数量宜定为5个。通过对采空区瓦斯抽放技术进行数据分析,提出采空区瓦斯抽放最佳位置是在距工作面30～60 m的范围内。

通过对深部－1010 m采区9445工作面开采期间的瓦斯涌出变化规律的研究,积累了大量的技术数据,为矿井深部－1200 m采区的瓦斯治理工作提供了技术支持。

[1] 翟成.近距离煤层群采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律及防治技术研究[D].中国矿业大学,2008

[2] 刘泽功,袁亮.首采煤层顶底板围岩裂隙内瓦斯储集及卸压瓦斯抽采技术研究[J].中国煤层气, 2006(5)

[3] 林柏泉,吴传始.围岩裂隙演化与采动卸压瓦斯储运的耦合关系[J].采矿与安全工程学报, 2007(12)

[4] 唐爱东,王广智.高位钻场近水平钻孔在低透气煤层瓦斯治理中的应用[J].煤矿安全,2008(6)

[5] 王平.夹河煤矿解放层开采瓦斯涌出规律研究[J].能源技术与管理,2011(12)

[6] 李华炜,刘玉德,张莉聪.综放面覆岩移动与裂隙带瓦斯运移规律及瓦斯抽采工程实践[J].中国煤炭,2010(11)

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(责任编辑 张艳华)

Gas emission characteristics of deep mining area in Jiahe Coal Mine and its control techniques

Hu Xianwu1,Zhao Rongcai2,Chen Jiang2
(1．Jiangsu Xuzhou Mechanical and Electrical Engineering Higher Vocational School, Xuzhou,Jiangsu 221011,China; 2．Jiahe Coal Mine,Xuzhou Coal Mining Group,Xuzhou,Jiangsu,221000,China)

Aimed at the problem of high gas content in return air current at 9445 working face of－1010 m mining area,which restricted the high efficient production,the comprehensive gas control techniques were proposed,including protective layer mining and comprehensive gas drainage．All of the technical parameters of gas drainage were collected,analyzed,and then optimized,so that the safe and efficient extraction at the working face was ensured．

deep mining area,gas emission characteristics,protective layer mining,drainage at high level,drainage in goaf

TD712.52 TD712.62

A

胡献伍(1965－),男,硕士,副教授。主持完成省级科研项目二项,著有《矿井测风工》、《矿井通风安全仪器仪表》等多部教材,发表论文多篇。