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鐵法能源有限責任公司大興煤礦??張基名 ?李廣 ?李生

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?針對大興煤礦強沖擊地壓危險首采面的安全要求,通過分析采空區瓦斯運移規律,制定相適應的瓦斯抽采技術。總結“三巷、兩孔、一埋”瓦斯抽采技術的抽采效果,分析強沖擊首采面瓦斯抽采技術的合理性、有效性、差異性。

關鍵詞:強沖擊 ?瓦斯抽采技術 ?實踐分析

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南二903采煤工作面是大兴煤矿首个被鉴定为強沖擊地压危险的综采工作面,使大兴煤矿在高瓦斯、易自然、突出的三害基础上,又增加了一害——強沖擊地压危害。为保证強沖擊地压危险工作面在采煤期间的人员安全,制定了冲击地压预测预警、解危卸压、施工组织调控、工作面区域禁员等防控措施,原有设计的瓦斯抽采技術将接受冲击地压危害的检验。

1?南二903工作面概述

1.1 工作面位置与地质条件

大興煤礦南二903工作面總面積127554m2,其位于南二采區中部,一切眼寬178m,走向長度555m;二切眼寬94m,走向長度306m。東鄰南二902工作面采空區,間隔8m煤柱;西鄰南五905工作面采空區,間隔8m煤柱;其南部未采動,北部是采區煤柱。工作面上部7-2煤層,北部未采動,南部爲南五717、南五719上采空區。7-2煤層厚度14.6m,平均厚度2.55m;與9煤層間距3037m,平均層間距32.4m。工作面煤層呈黑色,塊狀構造,質較純,以亮煤爲主。

1.2??工作面瓦斯湧出情況

南二九層903區段煤層瓦斯壓力最大值爲620KPa,原始煤層瓦斯含量爲6.35m3/t,南二采區9煤層南二903區段無煤與瓦斯突出危險,采煤期間瓦斯絕對湧出量實測爲41.6m?/min

1.3??工作面沖擊地壓情況

南二903采煤工作面鄰近三個采空區,遇見7次“四方”,強沖擊危险区域分别为回顺0-180m404-585m555-645m885-796m;運順0-180m485-641788-882m,見圖1。距工作面200m範圍內安裝替棚支架,進入工作面作業人員佩戴防沖服裝,工作面生産期間距工作面200m範圍內禁員。

1?南二903頂板瓦斯道平面圖

2 采空区瓦斯运移规律

2.1 ?采空区三带发育规律

根據采面礦壓數據觀測,隨工作面推進圍岩應力分段有規律分布,垂向以豎三帶分布,即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沈帶。平向以橫三區拓展,即煤壁支撐影響區,離層區和重新壓實區(圖2)。冒落帶以碎塊、巨石不規則形狀自然安息,存在較大空隙(通常爲采厚的3~5倍);裂隙帶發生岩石破裂,可導水導氣(采厚的6~10倍);彎曲下沈帶岩層不再破裂,裂隙發育程度低。

A—煤壁支撑影响区(a-b);B-离层区(b- c);C-重新压实区(c- d)

Ⅰ—冒落帶;Ⅱ—裂隙帶;Ⅲ—變曲下沈帶;α—支撐影響角

2 “竖三带”分布示意圖

2.2采空區瓦斯運移規律

2.2.1采空區瓦斯來源

煤層既是瓦斯的生成層,又是瓦斯的儲集層。煤層未采動或未受應力擾動時,瓦斯在煤體中以吸附和遊離狀態存在,原岩應力下基本不流動。一個待采工作面即使放置很長時間,如果不做瓦斯抽采工作,其煤層內瓦斯總量也不會有大變化。

一旦受采動壓力影響,煤體産生裂隙,原存瓦斯應力平衡受到破壞,瓦斯就會大量湧出(即所謂卸壓瓦斯),沿橫向、縱向裂隙流動,一少部分瓦斯進入工作面空間隨風流排出(絕對湧出量10%左右),而大部分瓦斯通過裂隙進入采空區(絕對湧出量90%左右)。

煤層瓦斯解吸釋放與煤層應力變化有直接關系:

实验测得,采煤工作面前、后方承压分布拟态如圖3所示,總體上以應力降低區、應力增高區和原岩應力區的形態分布。工作面前方煤體承壓區間自工作面前方1~3m起,外延30~40m,拓展至煤壁約100m時發生變量,距煤壁5~15m爲最大應力顯現點。

其分布特點是:

1)采煤工作面前方煤壁一端幾乎支撐著采煤工作空間上方斷裂帶及其上覆岩層大部分重量,即工作面前方支承壓力遠比後方支承壓力大。

2)采煤工作面煤壁及采空區垮落帶是隨著推進向前移動的,因而工作面前後方支承壓力也隨著推進向前移動。

a—應力增高區;b—應力降低區;c、c—原岩應力區

3??采煤工作面前后方支承压力的分布示意圖

在工作面煤體最大應力顯現點煤體被壓裂,煤層中賦存的瓦斯解吸釋放,然後沿裂隙流動進入采空區。而隨工作面推進,支承壓力也隨之前移,煤層瓦斯不斷解吸釋放。

開采煤層附近的上、下鄰近煤層受采動壓力影響,煤層中賦存的瓦斯不斷解吸釋放,透過裂隙湧入開采層。

2.2.2采空區瓦斯運移規律

回采工作面采空區上方存在大量的垂直裂隙和離層裂隙,這些裂隙是瓦斯運移的主要通道和存儲空間。受瓦斯自身比重小特性影響,從煤體中解吸出的瓦斯首先向采空區頂部運移,並通過覆岩裂隙繼續向上運移至裂隙帶頂部,在此積聚。通過回采,不斷有瓦斯上移、積聚,猶如向水坑注水一樣。而瓦斯在采空區內呈“倒水坑”形態積存,由下至上瓦斯濃度越來越高,頂部可達100%(生産實際中個別鑽孔瓦斯濃度100%,而且流量較大)。

由于呈氣態存在,瓦斯“坑”積存面與空氣接觸面並無絕對界限,其相互滲透漂移,尤其有氣體流動空間更是如此,所以瓦斯“坑”積存面過低時,有一部分瓦斯會“滲透”到風流中,造成風流瓦斯濃度上升。沒有氣體流動或風速低的空間內,瓦斯就以積存狀態存在,濃度呈上高下低。瓦斯因自身比重小特性哪高就向哪運移、積存,因此,上行通風工作面上隅角和下行通風工作面下隅角常常會積聚瓦斯。由浮力作用,采空區內瓦斯積存下平面是水平的。采空區積存瓦斯空間是一定的,但瓦斯量是隨工作面落煤開采不斷增加,當達到一定量,如果不抽采或抽采量小于解吸量,瓦斯積存面就會降低至采煤工作面空間,一部分瓦斯就會外溢隨風流排出,或積存于風速低的工作面高冒處、隅角等地點,造成瓦斯積聚。

3,強沖擊危险首采面瓦斯抽采技術方案

通過分析南二903采煤工作面瓦斯來源有三種,即開采層落煤瓦斯、開采層采空區瓦斯和鄰近采空區瓦斯,南二903強沖擊危险首采面確定采取“三巷、兩孔、一埋”瓦斯抽采技術方案。“三巷”是指回采区上部頂板瓦斯道和兩个邻近采空区頂板瓦斯道,“兩孔”是指工作面顺层卸压钻孔、顶板斜交钻孔,“一埋”是指工作面上隅角埋管。

3.1,三巷抽采技術

⑴ 南二903頂板瓦斯道

本工作面9煤层上部掘进頂板瓦斯道一条,工程量为800m。布置于7-2煤層下5~10m位置,與回順平距2550m,与7-2煤層間距7m,斷面4m×2.8m。見1。頂板瓦斯道采取一次性封閉,密閉趟直徑300mm抽采管路,抽采南二903采空區卸壓瓦斯

⑵ 邻近采空区頂板瓦斯道

本工作面東鄰南二902采空區,布置南二902頂板瓦斯道;西邻南二905采空區,布置南二905頂板瓦斯道。

4 “三巷”抽采技术布置圖

南二903工作面的回采將會形成區域性“三空”同存,見圖4 “三巷”抽采布置圖。冒落及裂隙将三个采空区联通互成气候相似条件,原已静止的南二902采空區、南二905采空區,瓦斯流被擾動打破靜平衡。按垂向分布南二902采空區位于南二903采空區上部,南二905采空區位于南二903采空區下部,采動打破鄰近采空區靜平衡後,南二905采空區瓦斯將向上部移動和擴散,南二902采空區瓦斯在富集後溢滿反向南二903采空区倒流,适量抽采邻近采空区頂板瓦斯道,控制其向开采采空区移动和扩散。

3.2,兩孔抽采技术

⑴ 顺层卸压钻孔

工作面前方515m範圍內受支撐壓力影響煤體破裂,瓦斯解吸釋放,回采前施工的順層鑽孔是抽采煤體卸壓瓦斯的最佳時期,距工作面30m範圍的順層鑽孔可增加負壓,提高抽采量,減少煤體解吸瓦斯沿裂隙流入采空區。

⑵ 顶板斜交钻孔

在采煤工作面回风道钻场内向采空区施工斜交钻孔,钻孔终孔位置在裂隙带内,抽采采空区卸压瓦斯,見圖5

5 斜交钻孔布置示意圖

南二903回顺的顶板斜交钻孔主要布置在回顺与頂板瓦斯道之间,抽采頂板瓦斯道散漏的瓦斯,使上隅角瓦斯有钻孔控抽。

3.3,一埋抽采技術

随采煤工作面推进,在工作面上隅角埋设管路,进入采空区一定距离进行抽采,交替埋设,保证连续抽采,見圖6

6??采空区埋管抽采技术布置示意圖

4,強沖擊危险首采面瓦斯抽采技術实践浅析

4.1,瓦斯抽采技術的施工组织

⑴ 頂板瓦斯道作为主要、持久、稳定的瓦斯治理手段,一次性封閉加严。封闭时埋设兩趟直徑300mm抽采管路,與回風道抽采幹管連接,加設控制閥門,根據需要定量抽采。

⑵ 顺层卸压钻孔在距工作面30m範圍內抽采負壓達到13KPa,及時觀測和系統巡查。出現漏氣積水及時處理,與工作面距離不足一日回采時封堵報廢。

⑶ 南二903工作面为強沖擊危险工作面,距工作面200m范围内生产期间兩顺禁止任何人作业,斜交钻孔需要连续施工,因此斜交钻孔应超前工作面200250m打完。工作面支撐壓力對抽采鑽孔是不利的,過早會導致縮徑、垮塌或斷裂,直接影響斜交鑽孔的抽采效果,爲此要求斜交鑽孔下全程套管護孔,維護和延遲孔壁破壞。

⑷ 及时按步距埋设上隅角抽放管,埋管的管口要贴近硬帮顶板,加防护罩遮挡顶板掉货,管口进入封堵墙后,及时摔断深部埋管。

4.2,瓦斯抽采技術实践应用及效果分析

大兴煤矿首个強沖擊危险工作面采用的“三巷、兩孔、一埋” 瓦斯抽采技術是否得当,应从瓦斯抽采量、风排瓦斯量、上隅角及工作面瓦斯浓度三个方面进行考量分析。

一般來說瓦斯抽采量越高,占工作面湧出量比率越大,風排瓦斯量越小,上隅角及工作面瓦斯濃度越低,考評效果越好,反之考評效果越差。

南二903工作面從回采到結束瓦斯抽采數據觀測是連續的,從數據堆棧中擇選4天的抽采數據進行分析,如表1所示:

1?大興煤礦南二903工作面瓦斯抽采技術瓦斯抽采数据表

抽采日期

工作面湧出量m3/min

南二903頂板瓦斯道m3/min

南二902頂板瓦斯道m3/min

南二905頂板瓦斯道m3/min

斜交鑽孔m3/min

順層鑽孔m3/min

埋管m3/min

風排瓦斯量m3/min

上隅角瓦斯最大值%

6月29日

41.16

19.01

5.41

4.37

5.32

1.22

2.82

3.01

0.52

7月9日

34.64

15.25

5.93

5.14

2.58

1.28

0.94

3.52

0.65

11月18日

35.29

18.6

5.45

4.72

0.76

0.09

1.04

4.63

0.75

12月12日

48.62

29.6

3.42

5.24

2.62

0.06

2.61

5.07

0.79

平均值

39.93

20.62

5.05

4.87

2.82

0.66

1.85

4.06

0.68

抽采技術分類占比%

52

13

12

7

2

5

10


?圖7 瓦斯抽采流量变化趋势圖

8?瓦斯抽采流量占比圖

分析結論:

⑴ 三巷抽采即南二903頂板瓦斯道、南二902頂板瓦斯道、南二905頂板瓦斯道,其中南二903頂板瓦斯道平均抽采瓦斯量为39.93m3/min,抽采瓦斯濃度2546%,約占工作面瓦斯湧出量達51%以上,瓦斯濃度与瓦斯量有区间性变化,見圖7、圖8。

分析原因是:大面頂板瓦斯道與回順平距一致,抽采量持稳,上隅角瓦斯控制较好;小面頂板瓦斯道與回順平距沿回顺方向渐宽,抽采量稳中有变,上隅角瓦斯趋向增高。其邻近工作面的頂板瓦斯道(南二902905頂板瓦斯道)平均抽采瓦斯流量9.92 m3/min,瓦斯濃度在80100%,大約占工作面瓦斯湧出量25%以上。三巷抽采技術中抽采瓦斯量一般爲30.54 m3/min,是瓦斯治理主导措施,在实践中确实起到了关键作用。頂板瓦斯道设计应與回順等距,不等距对抽采有一定影响。

⑵ 兩孔抽采,其中斜交钻孔平均抽采瓦斯量2.82 m3/min,瓦斯濃度275%,一般占工作面湧出量7%,順層卸壓鑽孔平均抽采瓦斯量0.66 m3/min,瓦斯濃度19%,基本上占工作面湧出量2%左右從實際分析,頂板斜交鑽孔抽采效果較差,鑽孔濃度低,抽采量小,鑽孔通透性差。

分析原因是:鑽孔超前200 m施工,采取的全程套管護孔措施護孔材料強度不足以抵抗超前支撐壓力。

小面回采自160m至采止線段,爲了既要適應采煤期間回順禁員,又要保證斜交鑽孔的有序施工,調整勞動組織時間,采取白班4時20分到礦入井,趕到零點班采煤機停産進入回順200m範圍內打鑽施工。通過鑽孔施工和數據觀測,單孔瓦斯濃度4080%,單孔瓦斯混量5.4513.61 m3/min。該數據表明工作面支撐壓力對斜交鑽孔確有影響。

⑶ 一埋抽采,平均抽采量爲1.85 m3/min,抽采瓦斯濃度13%,占工作面抽采比率爲5%。埋管作爲瓦斯抽采的末端治理手段,選擇合理埋設管頭步距至關重要,從本工作面來看步距1520m較爲合理。

5,結束語

南二903強沖擊危险首采工作面是以三巷抽采技术为主导,兩孔抽采技术为辅,一埋抽采技術为末的综合瓦斯治理抽采技术,从实际考评来看,总体上是合理的、有成效的。三巷瓦斯抽采技術规避了強沖擊危险对人的安全威胁,以超前、持稳的方式治理瓦斯。兩孔瓦斯抽采技術应充分考虑工作面支撑压力带来的缩径、塌孔问题,调整劳动组织是一种方式,研究护孔工艺作为另一种积极策略。

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作者簡介?張基名1967年-),男,高級工程師職稱。1999年1231日遼甯工程技術大學通風與安全專業畢業,現任職大興煤礦抽采一隊擔任技術主管。聯系電話:辦公電話76844125-8100,移動電話13464159206。