鄭州礦區(qū)“三軟”不穩(wěn)定厚煤層瓦斯抽放技術
| 1 概述 鄭州礦區(qū)，東西長約100km，南北寬5～45km ，地層含煤面積1500km2，地質儲量24.6億t。煤系地層主要為二迭系山西組，含煤兩層： 二1煤和一1煤。其中二1煤為可采煤層，煤厚1.19～26.0m，煤厚變化較大，變異系數(shù) 70.1%；煤質松軟，普氏硬度系數(shù)0.3～0.5；直接頂多為泥巖和砂質泥巖，底板普遍為泥巖 和粉砂巖，二1煤層屬典型的“三軟”不穩(wěn)定厚煤層。 鄭煤集團公司現(xiàn)有8座生產礦井，年生產能力1000萬t。采用長壁放頂煤一次采全高采煤 方 法。其中有5座高瓦斯礦井，分別為超化礦、大平礦、告成礦、裴溝礦和米村礦。隨礦井向 深部水平開拓延伸，煤層瓦斯含量增加，采面瓦斯涌出量最高達30m3/min以上，瓦斯治理 難度增大。二1煤層原生裂隙不發(fā)育，孔隙率小于4%，煤層透氣性系數(shù)為0.052m2/M Pa 2·d，鉆孔瓦斯衰減系數(shù)為2.35d-1，屬較難抽放煤層。煤層自燃等級為不易自燃， 煤塵具有弱爆炸性，爆炸指數(shù)為14.1%～17.58%。 2 鄭州礦區(qū)瓦斯抽放技術 放頂煤開采的一個顯著特點是開采強度高，瓦斯解吸 量大，當采面瓦斯涌出量達10m3/min以上時，靠通風稀釋瓦斯十分困難，且受到礦井通風 能 力、風速超限和惡化作業(yè)環(huán)境等因素制約，瓦斯曾一度成為制約鄭煤集團公司生產能力發(fā)揮 的首要因素。為徹底根治瓦斯，降低其危害程度，解放礦井生產力，進一步開展瓦斯抽放工作勢在必行。 采空區(qū)瓦斯涌出量占放頂煤工作面涌出瓦斯總量的60%以上，是造成工作面上隅角及回風流 瓦斯超限的主要原因之一。在較難抽放煤層中，采空區(qū)瓦斯抽放是行之有效的方法，適合鄭 州礦區(qū)的開采技術現(xiàn)狀。到2001年，針對各礦井、采面的不同情況，采取了 不同的方法綜合治理瓦斯。 2.1 煤位高抽巷技術 在煤厚大于8m的高瓦斯采面，采取煤位高抽巷技術取得了令人滿意的效果。抽放瓦斯?jié)舛纫?般為20%～60%，最高達80%以上，平均抽放率在40%以上。其抽放方式為：平行于采面回風巷 內錯10～15m，沿頂板在煤層中布置一條巷道（圖1），抽放管路敷設至巷口以里，并在巷口 〖JP2〗進行永久性封閉，利用瓦斯抽放泵將瓦斯抽排至主要回風巷。在U型通風形式下，采 空 區(qū)瓦斯在風流傳播和擴散的雙重作用下，集中在上隅角及其附近涌出，造成該地點及回風流 瓦斯超限。煤位高抽巷的作用在于改變了采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律，使采空區(qū)成為一個負壓場， 驅使高濃度瓦斯流向高抽巷，達到分流采面瓦斯的目的。 超化礦21071面是實施煤位高抽巷技術效果******的綜放工作面，該面為走向長壁布置，走向 長1 160m，傾斜長147m，煤厚3～26m，平均10.7m，煤層傾角平均為10°，噸煤瓦斯含量為6～11 m3。高抽巷布置如圖1所示。為緩解采掘接替，該采面高抽巷分兩段分期施工，實行變 向 錯位搭接，避免里段高抽巷使用期間貫通。選用SK-60型水環(huán)式真空泵，******抽放流量60m 3/min，極限真空度14.67kPa；抽放管路采用250mm抗靜電阻燃玻璃鋼管。 圖1 21071工作面高抽巷布置示意圖（略） 圖2 抽放參數(shù)與煤厚關系（略） 工作面初推進80m期間，未采取切實有效的抽放措施，工作面配風1800m3/ min,回風流瓦斯 在0.8%～1.2%，上隅角采取風簾導風措施后瓦斯?jié)舛仍?.2%～1.8%，受瓦斯超限的制約 ，工作 面不能組織正規(guī)循環(huán)作業(yè)，日產量不到3000t。抽放系統(tǒng)投入運行后，風量下調至1200m3/ min，抽出瓦斯?jié)舛?8.40%～84.93%,平均43.98%，抽出純瓦斯量7.36～32.77m3/min，平 均 抽放率達76.59%，上隅角瓦斯?jié)舛冉档?.1%～0.6%，回風瓦斯?jié)舛缺３衷?.6%以下，日均產 量提高到5000t以上，最高月產17.6萬t。 高抽巷抽放效果與工作面煤厚變化有直接關系，不能以煤厚與瓦斯賦存量的正比關系簡而論 之，而且反映在高抽巷與采面作業(yè)空間的垂距上。圖2反映了21071工作面抽放參數(shù)與煤厚的 關系，因高抽巷沿煤層頂板布置，煤厚愈大，其相對位置愈高，恰處于瓦斯富集區(qū)，可取得 較好的抽放效果；進入薄煤區(qū)時，混合流量增加，反映出高抽巷透風性能提高，但因抽出瓦 斯?jié)舛容^低，造成抽放率下降，故煤位高抽巷技術適宜在特厚煤層中應用。 2.2 頂板巖石鉆孔抽放 頂板巖石鉆孔抽放是一項在國內得到廣泛應用的采空區(qū)瓦斯抽放技術。在鄭州礦區(qū)的實踐當 中，采面瓦斯抽放率一般為20%～40%，最高達42.9%，效果顯著。該技術一般應用于煤 厚小于8m，且賦存極不穩(wěn)定的高瓦斯采面。以告成礦13071面為例進行說明。 該面為傾斜長壁布置，采用炮采放頂煤工藝，傾斜長860m，平均走向長115m,煤層傾角6°～ 20 °，平均11°，煤厚0.8～10m，平均4.2m。該采面沿傾向約有650m位于高瓦斯帶范圍內，回 采時瓦斯涌出量9～14m3/min，初期供風量達1200m3/min，瓦斯超限十分嚴重，回風瓦 斯 濃度0.8%～1.4%，上隅角瓦斯?jié)舛冉?jīng)常處于3%上下，采面被迫限產，日回采煤量限為正常水 平的60%。后采取了高位鉆場抽放采空區(qū)瓦斯。鉆場布置在工作面回風 巷的下幫，鉆場距一般為80m。先以20°的傾角施工斜巷，斜巷進入頂板垂高3～4m，然后作 鉆場，該面共布置了8個鉆場，打鉆終孔高度在老頂裂隙帶內1～2m，裂隙帶的高度根據(jù) 經(jīng) 驗公式H=h/(k-1)cosα(式中：H為裂隙帶高度，m；h為煤層厚度，m；k 為巖石碎脹系數(shù)；α為煤層傾角，°）求得，告成礦裂隙帶高度在14～41m。每個鉆 場 扇形布置3～6個鉆孔，控制上隅角以下20m范圍，孔徑為89mm,相鄰兩鉆場間鉆孔疊加20m以 上，采用聚胺脂封孔。 鉆孔通過老頂裂隙帶抽采空區(qū)瓦斯，每孔抽放量0.6～1.3m3/min,抽放瓦 斯?jié)舛纫话銥?5%～55%。平均抽放率為29.5%,最高月份達42.9%。因抽放技術的應用，工作 面 風量下調至800m3/min,回風瓦斯?jié)舛冉抵?.8%以下，上隅角瓦斯?jié)舛扰腔苍?.6%～1.1%， 生產恢復正常，日均多出原煤512t。工作面安全回采結束。 2.3 上隅角埋管抽放 該技術首先在大平礦實施，地點為16031炮放工作面，該面布置為走向長壁，走向長120m， 傾斜長60m，平均傾角20°，煤厚變化大，上部煤厚0.7～2.5m，下部0.7～16m，平均6. 5m。16 031工作面初采時期，瓦斯涌出量9～15m3/min，配風量1500m3/min,回風瓦斯 濃度0.8%～ 1.2%，最高達1.5%以上，上隅角采取風簾導風后瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)在2.5%，雖采取淺孔動壓 注水 、回風巷打密集卸壓釋放鉆孔等措施，仍不能保證工作面安全生產，勞動組織被迫由三班回 采改為兩采一準，以減緩瓦斯涌出。經(jīng)采取上隅角瓦斯抽放技術后，情況得到根本好轉。 在工作面回風巷上幫，安設150mm鋼管，一端接入瓦斯抽放系統(tǒng)，另一端通過軟管接抽 放 器。所用抽放泵型號為2BE1-253型，其******抽放流量為40m3/min，極限真空度 86.66kPa。抽放器由長2m、100mm鋼管加工，前端封閉，旁側密集布置5mm的小孔，抽放器 埋入上隅角高處，隨采面推進循環(huán)前移。附近設濃度和流量檢測口，定期測量抽放參數(shù)。為 防止吸入的煤、巖塵堵塞管路，自制了除塵器接入管路。 隨著采面推進，對抽放器的埋入******深度進行了摸索。抽放器前端位于切頂線時，抽出瓦斯 濃度3%～5%；深入切頂線以里1～2m時，瓦斯?jié)舛壬?%左右；越過切頂線3m時，瓦斯?jié)舛?提高 至7%～10%，但抽放器埋入深度越大操作越困難，深度達5m時，曾兩次被壓死折斷。實 踐證明，抽放器埋入深度在2～3m時，實現(xiàn)了便于操作與抽放效果的******結合。 抽放取得了明顯的效果，平均混合流量為32.82m3/min,抽出瓦斯?jié)舛?%～24%，平均7 %，抽 放純瓦斯2.33m3/min，最高達4～6m3/min，綜合抽放率為35%，工作面風量調至1200m 3/min,回風流瓦斯?jié)舛冉档?.45%～0.8%，上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?%以下，實現(xiàn)了工作面連 續(xù)回采，日產由1000t提高到1500t以上。 為保證抽放效果，該技術一般應用于煤層傾角大，上隅角瓦斯富集的工作面。與一般的永久 埋管抽放技術相比，具有投入省、浪費小的優(yōu)點。 3 存在問題及發(fā)展方向 (1) 因采用井下瓦斯抽放系統(tǒng)，抽出的瓦斯直接排入采區(qū)或礦井回風巷，抽放量大時，造成 采區(qū)或礦井回風巷瓦斯超限，因此建立大流量地面瓦斯抽放系統(tǒng)勢在必行。 (2) 同一采面內因煤厚變化異常，采用一種抽放技術不利于達到穩(wěn)定可靠的抽放效果，應因 地制宜，視具體情況采取兩種或多種瓦斯抽放方法。 (3) 軟巖鉆孔塌孔、堵孔現(xiàn)象突出，尚缺乏技術可行、經(jīng)濟合理的針對措施，需展開進一步 的技術攻關。 (4) 充分利用采面推進前方卸壓區(qū)增生的透氣性，在卸壓區(qū)煤體內打鉆孔抽放瓦斯，可望取 得良好的抽放效果。 |
