突出煤层大采高工作面瓦斯综合治理技术

突出煤层大采高工作面瓦斯综合治理技术何吉春1,2(1.中国矿业大学,江苏徐州221008;2.淮南矿业集团潘一矿,安徽淮南232001)摘　要:介绍了潘一矿在1521(3)突出煤层高瓦斯大采高采煤工作面,综合运用大直径顺层钻孔预抽煤层瓦斯消突,高抽巷抽放采空区卸压瓦斯以及深孔水力压裂增透技术,不仅达到了突出煤层工作面快速消突的目的,并且有效治理了工作面的瓦斯涌出,杜绝了瓦斯超限和积聚现象,保证了综采面的安全高效生产。

关键词:大直径顺层钻孔;高抽巷;水力压裂;增透技术中图分类号:T D712 文献标识码:B 文章编号:1003-496X(2008)09-0033-03 潘一矿是一座年产400万t的大型高瓦斯突出矿井,矿井绝对瓦斯涌出量为136m3/m in,其中抽放量为78m3/m in。

矿井主采煤层为13-1和11-2煤层,13-1煤层为高瓦斯突出煤层,煤层厚4.3～6.5m,平均4.7m,透气性系数3.92×10-2m2/ (MPa・d),最大瓦斯含量高达22m3/t,80%以上的储量集中在13-1煤层突出危险区。

2007年之前, 13-1煤层采用开采保护层和预抽煤层瓦斯的区域消突措施,通过消突评价后,采用综采放顶煤工艺回采。

2007年,集团公司引进ZZ9200/24/50液压支架和MGTY750/1715-3.3D型采煤机,回采工艺采用大采高综采设备。

在1521(3)工作面做试点,成功实现了厚煤层一次性采全高。

大采高长壁面是高产高效的基本模式。

与综放相比,综合机械化大采高回采工艺具有设备先进、可靠性高、工艺简单、容易实现自动化控制、单产能力稳定等特点,尤其是其能力基本上取决于装备标准的提高,是人为可控制的,受自然条件的制约较小;采用大采高技术,煤层的回采率可达93%以上,较综放提高约10%,仅1521(3)工作面,可多回收煤炭约12万t。

但是,大采高工作面落煤集中,煤壁暴露面大,本煤层瓦斯涌出量大,对工作面瓦斯治理提出了新的课题。

1　1521(3)工作面瓦斯来源及瓦斯涌出规律分析1521(3)工作面位于潘一矿-530m水平以上东三采区二阶段,工作面走向长1315m,倾斜长189m,回采标高-382.4～-449.6m,煤层厚4.3 m,煤层倾角为5°～9°。

煤层自然瓦斯含量为6～8 m3/t。

1521(3)工作面直接顶为砂质泥岩,平均厚度4.7m。

工作面采用全部垮落法管理顶板,U型通风方式,配风量为2200m3/m in。

该面于2007年3月26日开始回采,初次放顶前,工作面绝对瓦斯涌出量为8.8m3/m in,之后工作面瓦斯涌出量逐渐增大,正常回采期间工作面瓦斯涌出量为36m3/ m in,最高达40.5m3/m in。

其中抽放瓦斯量为27.2 m3/m in,工作面抽放率达67.2%。

根据回采工作面瓦斯涌出规律,结合1521(3)工作面一次性采全高的特点,工作面瓦斯涌出主要有两部分组成,一部分是工作面煤壁及采落煤块的瓦斯涌出,这部分瓦斯涌出量与采煤工作面推进进度,以及落煤堆放时间有关,由于该面一次性采全高,暴露煤体释放瓦斯自由面大,尽管工作面推进较快,但这部分瓦斯涌出占瓦斯总涌出量的60%～70%;另一部分是采空区瓦斯涌出,占瓦斯总涌出量的30%～40%。

当工作面开始回采,在老顶第一次冒落以前的时间内,采空区的瓦斯涌出量以留在采空区内的煤中涌出的瓦斯为主,当工作面老顶第一次冒落时,卸压后的邻近煤层和岩层就会向采空区涌入大量瓦斯,采空区的瓦斯涌出量将显著增加。

并且,在工作面继续推进到老顶下一次冒落前,由实践证明,瓦斯涌出量一般情况下将逐渐减少,但仍大于老顶第一次冒落前的瓦斯涌出量。

在以后发生的每一次顶板冒落时,将会重复上面的过程,于是采空区瓦斯涌出量将逐渐增大,并达到某一极限值,然后趋于稳定。

2　工作面瓦斯综合治理技术经理论分析,预计工作面回采期间瓦斯涌出量高达21～26m3/m in,除通风处理外,工作面采取综合治理措施。

・33・技术经验 煤矿安全(2008-09)2.1　大直径顺层长钻孔预抽消突技术工作面消突一般采用区域消突措施,主要采取2种措施,开采保护层及预抽煤层瓦斯,煤层注水作为辅助性区域消突措施在现场加以应用。

借鉴潘一矿西三采区2631(3)工作面、东三采区1541(3)工作面采用顺层钻孔预抽煤层瓦斯消除煤与瓦斯突出危险性的成功经验,1521(3)工作面继续采用顺层钻孔预抽煤层瓦斯的区域消突措施的基础上,钻孔直径由75mm 增加至153mm ,同时进行深孔水力压裂增透。

注水孔与抽放孔布置方案:上风巷每隔5m 施工一个孔径153mm 、孔深80m 的钻孔,抽放孔和注水孔间隔布置;下风巷每隔5m 施工一个孔径153mm ,孔深100m 的钻孔,抽放孔和注水孔间隔布置。

上、下风巷的注水孔错开布置,上、下风巷抽放孔与注水孔孔底留12m 的距离,防止水力压裂时上下钻孔沟通发生跑水。

2.2　深孔水力压裂增透技术1521(3)工作面煤层瓦斯含量较大,且煤层透气性差,为了提高顺层钻孔瓦斯抽放的效果,在相邻2个抽放钻孔之间布置一个钻孔进行高压注水,利用高压注水进行水力压裂来提高煤层的透气性。

上风巷每隔5m 施工一个孔径153mm 、孔深60～80m 的钻孔,抽放孔和注水孔间隔布置。

在现场多次试验结果的基础上得出了每隔8m 施工一个注水孔、抽放孔。

2.3　通风治理瓦斯技术1521(3)工作面采用U 型通风方式,工作面采空区上隅角不仅容易积聚瓦斯,而且采空区内的瓦斯容易通过上隅角涌入回风巷,引起回风巷瓦斯浓度超限,严重制约着工作面产量的提高,并对安全生产构成了严重威胁。

为了解决上隅角瓦斯积聚及工作面回风流瓦斯超限的问题,现场采取的措施绝大多数是增加工作面的供风量;而这往往容易引起工作面漏风量增大,采空区与工作面之间气压差增大,从而导致采空区瓦斯涌出量增大。

因此,盲目地增大工作面供风量,其实对降低回风巷风流中的瓦斯浓度是不利的。

为此,我们采用增加漏风汇的措施,靠近工作面回风巷施工顶板抽放巷,高抽巷封闭抽放使采空区上隅角瓦斯可以从漏风汇中排出。

通过合理选择高抽巷层位及调整抽放负压解决采空区上隅角瓦斯超限和避免大量瓦斯涌入工作面。

2.4　高抽巷瓦斯抽放技术根据“采动煤岩移动卸压瓦斯抽放理论”,在采煤工作面上方受采动影响煤岩区域内,由于关键层的作用,在采场顶板冒落圈内将动态地存在一个“O ”形圈。

根据这一理论,高抽巷在平面位置距工作面上风巷20～21m 。

(1)高抽巷层位的选择。

根据1521(3)工作面顶板岩性及实际探测13-1煤冒落带、裂隙带发育最大高度与采高的关系得出的关系式计算得:H 冒max =(3～5)M =12.9～21.5mH 裂max =100M /(1.5M +3.1)=46.6m式中,M 为采高,取M =4.3m 。

因此决定高抽巷的层位距13-1煤层顶板23～25m ,正好布置在裂隙带内。

为使高抽巷在1521(3)工作面回采初期即能发挥作用,在施工高抽巷距设计长度剩余51.8m 时开始变坡,把高抽巷层位由原来的23～25m 降为10m 左右,即将高抽巷前段51.8m 布置在冒落带。

(2)顶板穿层钻孔的施工。

在1521(3)工作面回采前,由开切眼向高抽巷施工顶板穿层钻孔,钻孔要求穿透1521(3)高抽巷,然后在高抽巷外口砌筑封闭墙,将一路Φ325mm 、一路Φ375mm 瓦斯抽放管从封闭墙内引出,与瓦斯抽放系统连接,利用1521(3)高抽巷通过穿层钻孔来抽放工作面初采期间的瓦斯,钻孔布置见图1。

图1　1521(3)工作面高抽巷穿层钻孔布置图3　工作面瓦斯综合治理效果分析3.1　瓦斯治理效果1521(3)工作面是潘一矿第一个大采试点面,运用了大直径顺层钻孔预抽本煤层瓦斯、高抽巷封闭抽放采空区卸压瓦斯及水力压裂增透的瓦斯综合治理技术,成功解决了工作面回采期间的防突及瓦斯问题,工作面在回采期间,顺层钻孔抽放单孔流量最大达0.9～1.0m 3/m in,同时抽放钻孔18个。

高・43・煤矿安全(Total 406) 技术经验抽巷封闭压两路抽放管路抽放量12～18m 3/m in,瓦斯抽放率65%左右,回风瓦斯浓度最大0.6%,上隅角最大瓦斯浓度维持在1.5%以下,工作面回采期间没有出现瓦斯超限和积聚现象。

水力压裂对煤体松动和软化作用使得采煤机割煤速度也有一定的提高,平均日产量达8000t,最高日产11000t,创潘一矿建矿以来单面日产最高记录,为厚煤层一次性采全高综合机械化采煤法及工作面瓦斯综合治理技术的大力推广提供了成功经验。

3.2　快速消突1521(3)工作面顺层钻孔直径由75mm 增加至153mm ,钻孔内煤体暴露面积增大至原来的4倍,加上水力压裂增透的效果,1521(3)顺层孔平均瓦斯抽放量为8.2m 3/m in,7月15日最大达17.02m 3/m in,是2631(3)工作面的5倍,按同时抽放18个钻孔计算,以预抽率达到30%为煤层已消突的评价指标,1521(3)工作面一个评价单元只需预抽15d,而2631(3)工作面同样的评价单元则需要预抽5个月,实现了突出煤层快速消突,为生产赢得了大量的时间。

1521(3)工作面顺层孔抽放量与2631(3)工作面顺层孔抽放量对比见图2。

图2　1521(3)工作面与2631(3)工作面顺层孔抽放量3.3　有效降尘高压注水水力压裂同时起到了降尘的作用,通过对布置在1521(3)工作面的5个测尘点的考察,降尘率在14.4%～63.3%之间,从工作面下端口向外10m 处的测尘结果来看,降尘率达到63.3%,平均38.85%,为改善生产工人的作业环境起到了一定的作用。

4　认识与体会(1)通过对1521(3)大采高工作面回采期间瓦斯来源分析,采用顺层钻孔预抽煤层瓦斯的区域消突措施,既达到了防突治本的目的,又减少了工作面回采期间的本煤层瓦斯涌出量。

(2)通过增大顺层钻孔直径(Φ75mm 增至Φ153mm )及高压注水水力压力增透技术,有效提高了顺层钻孔抽放量,大大缩短了煤层消突时间,实现了本煤层快速消突,为矿井工作面生产赢得了时间。

(3)通过采用高抽巷瓦斯抽放技术,解决了高瓦斯突出煤层采煤工作面回采期间的瓦斯超限问题。

潘一矿在未采取高抽巷瓦斯抽放技术前,其采煤工作面在回采初期回风流瓦斯浓度经常处于临界状态,严重制约了工作面的安全生产。

通过利用高抽巷抽放瓦斯,改变了采空区漏风向上隅角流动的流场分布,使上隅角处的瓦斯浓度降至1.5%以下,同时工作面回风流瓦斯浓度不超过0.6%,基本解决了采煤工作面初采期间上隅角及回风流瓦斯超限问题。

(4)高压注水水力压裂技术的实施既提高了煤层透气性,又起到了降尘的作用,同时对煤体的松动和软化作用可提高煤机割煤速度,实现了工作面的高产高效。