特厚煤層大傾角高瓦斯礦井瓦斯災(zāi)害治理技術(shù)的優(yōu)化及應(yīng)用

王 寧

(兗礦新疆礦業(yè)有限公司硫磺溝煤礦，新疆 昌吉 831100)

某煤礦原采煤工作面瓦斯治理模式為煤層預(yù)抽配合回風(fēng)隅角埋管抽放采空區(qū)瓦斯，地面配套的瓦斯抽放系統(tǒng)為4臺(tái)2BEC-60型水環(huán)式真空泵，最大吸氣量294 m3/min。根據(jù)測(cè)定統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，(4-5)06綜放工作面和(9-15)08綜放工作面各類參數(shù)對(duì)比如表1：

表1 (4-5)06綜放工作面和(9-15)08綜放工作面各類參數(shù)Tab.1 Various parameters of (4-5)06 and (9-15)08 fully mechanized caving faces

考慮(9-15)08綜放工作面為特厚煤層、工作面內(nèi)瓦斯含量高，各類參數(shù)特殊，且原瓦斯抽采技術(shù)和配套的瓦斯抽放系統(tǒng)僅能滿足開采4-5煤層，開采9-15煤層時(shí)，瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)可能性較高，需對(duì)(9-15)08工作面瓦斯治理進(jìn)行優(yōu)化。

1 瓦斯涌出量分源計(jì)算

采落煤炭瓦斯涌出量為Q1，Q1=K1·Kh1·Kp1(W0-Wc)。式中：Q1為采落煤相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；K1為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，值為機(jī)采回采率的倒數(shù)；Kh1為采厚因子，取采煤厚度與本煤層總厚度的比值；Kp1為煤體殘余碎脹系數(shù)；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wc為煤層殘存瓦斯含量，m3/t。

放落煤炭瓦斯涌出量Q2，Q21=K2·Kh2·Kp2(W0-Wc)sinα。式中：Q2為放落煤相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，值為放落煤回采率的倒數(shù)；Kh2為采厚因子，取采煤厚度與本煤層總厚度的比值；Kp2為放落煤體殘余碎脹系數(shù)；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wc為煤層殘存瓦斯含量，m3/t；α為冒落角，取80°。

采空區(qū)殘煤瓦斯涌出量Q4，Q4=(1-k回)·(W0-Wc)。式中：Q4為采空區(qū)殘煤相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；K回為平均回采率；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

(9-15)08工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果：按上述本煤層及鄰近層瓦斯涌出預(yù)測(cè)，得(9-15)08工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為：Q=A傾斜Q本(傾斜)+A水平Q本(水平)+(A傾斜+A水平)Q鄰。通過(guò)計(jì)算得出(9-15)08工作面煤層相對(duì)瓦斯涌出量為Q=8.89 m3/t。

2 成果內(nèi)容

地面瓦斯泵房改擴(kuò)建工程：2020年，瓦斯泵房改擴(kuò)建工程在原基礎(chǔ)上增加了2臺(tái)2BEC-72型水環(huán)式真空泵，并于2020年7月份陸續(xù)投入使用。目前，地面瓦斯泵站安裝有4臺(tái)2BEC-60型水環(huán)式真空泵，最大吸氣量294 m3/min，一用三備；2臺(tái)2BEC-72型水環(huán)式真空泵，最大吸氣量567 m3/min，一用一備。

首次采用煤層預(yù)抽及高位走向長(zhǎng)鉆孔[1]抽放瓦斯為主、回風(fēng)隅角[2]埋設(shè)管路抽放采空區(qū)瓦斯為輔的方式進(jìn)行瓦斯綜合治理。根據(jù)(9-15)08綜放面綜合柱狀圖，9-15煤層與7煤之間為12.10 m厚的粉砂巖，為保證長(zhǎng)鉆孔成孔效果，將定向長(zhǎng)鉆孔布置在粉砂巖中。根據(jù)(9-15)08工作面軌順巷道實(shí)際施工情況，利用定向長(zhǎng)鉆孔代替高抽巷抽采卸壓瓦斯，需要布置2個(gè)鉆場(chǎng)，鉆孔中氣體流速分別為12 m/s、15 m/s，孔徑為φ98 mm，封孔管采用φ108 mm的PE管或鋼管。為進(jìn)一步提高定向長(zhǎng)鉆孔利用率及覆蓋面積，鉆場(chǎng)間距為350 m，鉆孔深度為350 m。定向長(zhǎng)鉆孔終孔分布區(qū)域如圖1所示，終孔分布區(qū)域距離軌道順槽巷道中心線25 m，距離回風(fēng)巷道底板26 m以上，區(qū)域內(nèi)終孔位置均勻分布。

圖1 定向長(zhǎng)鉆孔平面示意圖Fig.1 Plan diagram of directional long borehole

圖2 預(yù)抽鉆孔剖面示意圖Fig.2 Diagrammatic cross-section of drainage borehole

瓦斯治理工程量：礦井于2021年4月11日停產(chǎn)，4月18日(9-15)08工作面封閉停止抽放，至2021年11月13日恢復(fù)工作面生產(chǎn)，2021年礦井累計(jì)瓦斯抽放總量約為313萬(wàn)m3。工作面累計(jì)施工完成鉆場(chǎng)17個(gè)，所有鉆場(chǎng)內(nèi)瓦斯抽放鉆孔均施工完成，共計(jì)施工Φ120 mm、Φ133 mm瓦斯鉆孔各施工長(zhǎng)度6 720 m，施工“一氮多用”鉆孔12個(gè)，進(jìn)尺450 m，合計(jì)鉆孔施工總長(zhǎng)度13 890 m，鉆孔下套管長(zhǎng)度7 170 m。定向鉆孔工程量：在軌道順槽以1 m為間距、皮帶順槽2 m為步距，施工本煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔，軌道順槽施工瓦斯預(yù)抽鉆孔625個(gè)，皮帶順槽施工瓦斯預(yù)抽鉆孔650個(gè)，中部聯(lián)絡(luò)巷施工卸壓預(yù)抽鉆孔52個(gè)，地面瓦斯抽放泵站現(xiàn)運(yùn)行3#瓦斯抽放泵用于(9-15)08軌道順槽、皮帶順槽瓦斯預(yù)抽鉆孔瓦斯抽放，日預(yù)抽瓦斯量6 000 m3以上。

在上隅角[3-4]埋設(shè)兩趟φ219 mm的鋼管，每趟埋管末端設(shè)φ194 mm的立管，管壁上部均勻切割圈孔且用紗網(wǎng)包裹，立管間距為12 m，當(dāng)預(yù)埋管路進(jìn)入采空區(qū)12 m時(shí)開始瓦斯抽放，進(jìn)入采空區(qū)24 m時(shí)斷開，兩趟埋管依次不斷向前延接。

優(yōu)化高位鉆場(chǎng)鉆孔布置：與高校合作開展高位走向長(zhǎng)鉆孔日常監(jiān)測(cè)、分析工作，根據(jù)監(jiān)測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行鉆孔設(shè)計(jì)優(yōu)化，結(jié)合(4-5)06工作面瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，將(9-15)08工作面高位鉆場(chǎng)瓦斯抽放鉆孔數(shù)量由10個(gè)優(yōu)化至17個(gè)。

高位鉆場(chǎng)相對(duì)(9-15)08工作面軌道順槽抬高3 m，鉆場(chǎng)間距65 m，搭接長(zhǎng)度35 m。上下兩排布置，距鉆場(chǎng)底板高度分別為1 m、1.5 m，第一排鉆孔距離鉆場(chǎng)邊緣0.2 m，其余孔間距0.6 m。鉆場(chǎng)內(nèi)布置鉆孔12個(gè)，鉆孔控制范圍為工作面頂板以上3～9 m，上隅角向工作面方向20 m范圍，待對(duì)鉆孔抽采效果進(jìn)行觀測(cè)后，再行優(yōu)化。

圖3 高位鉆場(chǎng)剖面布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the profile layout of the high drilling field

圖4 高位走向長(zhǎng)鉆孔平面布置圖Fig.4 Plan layout of high strike long drilling holes

表2 高位鉆場(chǎng)鉆孔施工設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Drilling design parameters of high level drilling field

3 效果評(píng)價(jià)

地面瓦斯抽放泵站運(yùn)行6#瓦斯抽放泵用于(9-15)08軌道順槽高位鉆場(chǎng)及定向鉆場(chǎng)鉆孔瓦斯抽放，日瓦斯抽放量在24 000 m3以上。礦井日平均瓦斯抽放總量約30 000 m3，工作面生產(chǎn)期間上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.6%以下，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.5%以下，杜絕了瓦斯超限。

工作面生產(chǎn)至今，累計(jì)推進(jìn)約770 m。目前，(9-15)08皮帶順槽瓦斯預(yù)抽鉆孔平均瓦斯抽放濃度15.45%，抽放流量34.26 m3/min左右，周抽放純量53 355 m3；軌道順槽預(yù)抽鉆孔平均抽放濃度13.79%，抽放流量11.2 m3/min左右，周抽放純量15 591 m3。軌順高位鉆場(chǎng)走向長(zhǎng)鉆孔、定向長(zhǎng)鉆孔和平均抽放濃度12.56%，抽放流量117 m3/min左右，周抽放純量162 647 m3。

經(jīng)過(guò)對(duì)(9-15)08綜放工作面瓦斯抽放工作的持續(xù)跟蹤和統(tǒng)計(jì)證明，采用煤層預(yù)抽、高位走向長(zhǎng)鉆孔抽放瓦斯為主、回風(fēng)隅角預(yù)埋管路抽放采空區(qū)瓦斯為輔的綜合治理技術(shù)[5]，完全符合該礦目前的生產(chǎn)條件，能夠?qū)崿F(xiàn)安全生產(chǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

(9-15)08工作面回采期間以煤層預(yù)抽及高位走向長(zhǎng)鉆孔抽放瓦斯為主、回風(fēng)隅角埋管抽放采空區(qū)瓦斯為輔的綜合方式，在9-15號(hào)煤層布置順層預(yù)抽鉆孔，在煤層內(nèi)布置高位鉆孔，可有效提高鉆孔利用率。采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)抽放管路，采用邁步交替方式倒換抽放。

受工作面周期來(lái)壓及多煤層復(fù)合采空區(qū)壓力顯現(xiàn)等因素的影響，高位走向長(zhǎng)鉆孔在施工過(guò)程中出現(xiàn)壓鉆桿、塌孔等現(xiàn)象，鉆孔施工困難，進(jìn)度慢，還需引進(jìn)大功率定向鉆機(jī)提高鉆孔施工速度和成空率。持續(xù)跟蹤(9-15)08綜放工作面瓦斯抽放工作，優(yōu)化鉆孔參數(shù)，提高瓦斯治理水平。