矿井综采工作面瓦斯治理创新技术研究.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 1作者简介:牛晓波(1 9 8 9-),男,山西长治人,本科,2 0 2 1年7月毕业于中国矿业大学,采矿工程专业,助理工程师,主要从事煤矿“一通三防”相关工作。通讯作者:李青亮(1 9 8 5-),男,山西高平人,本科,2 0 1 3年毕业河南理工大学煤矿开采技术专业,本科,助理工程师,主要从事煤矿“一通三防”相关工作。矿井综采工作面瓦斯治理创新技术研究牛晓波,李青亮*(山西兰花科技创业股份有限公司 伯方煤矿分公司,山西 晋城 0 4 8 4 0 0)摘要:为进一步提高瓦斯管控工作,确保工作面符合综采作业的基本需求,以某煤矿的综采作业为例,探究具有一定创新性的高瓦斯矿井综采作业的治理技术。首先概述工程相关内容,明确瓦斯来源及涌出量增加的主要诱因,探究采面瓦斯的流动及分布规律,同时针对明确综采面瓦斯治理的基本思路,并提出具有实践应用价值的创新治理方式。关键词:综采工作面;瓦斯治理;技术创新中图分类号:T D 7 1 2+.7 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 3)0 7-0 0 8 9-0 4 在多数煤矿进行综采作业阶段,瓦斯浓度的控制与调整将直接左右综采作业质量,同时影响井下员工安全。在针对矿区综采工作面进行分析的过程中,发现部分区域的瓦斯分布较为杂乱,瓦斯中通常含有多种毒害气体,以及严重污染问题,甚至施工区域出现瓦斯爆炸等严重事故。因此,要采取有针对性方案,确保矿区综采工作面内瓦斯含量始终处于较低水平。此外,瓦斯管控过程中经常会出现抽采浓度过低、效率低等问题,因此,需要与实际情况进行结合,从多个角度出发对其进行分析,对这些问题进行妥善处理。伴随着综采作业面作业深度的逐渐增长,瓦斯治理工作要求也随之提高。为进一步增强综采瓦斯治理效果,相关部门需针对综采面中的瓦斯治理技术进行高效优化,因此积极开展综采面瓦斯治理创新研究对于提高综采面的整体瓦斯治理效率具有重要的现实意义。1 工程概况文章以某地区大型煤矿的高瓦斯综采面作业为例,该矿井属于高瓦斯矿井。该煤矿中的煤层为2#煤层,其中的瓦斯分布不均匀,文章研究的重点为该煤层中的2 1 0工作面,其整体长度是3 k m,工作面长度是0.3 k m,通风方式为U+L型。在该工作面中,主体区域煤层均厚达到5 m,顶部区域为灰黑色砂岩,同时附带少量黄铁矿结核,底部为细砂岩,整体结构多为团块状,经检测发现其中有化石和云母碎片。在该区域综采准备阶段,受到煤层中瓦斯影响,勘察人员需要预先进行预抽钻孔,在长期抽采后,内部的瓦斯含量降低到警戒线下,当满足基本综采作业标准后方继续作业。但在实际作业过程中,作业人员发现,上隅角瓦斯浓度始终超过标准警戒线,且难以处理,经过探测发现该处置瓦斯浓度在0.8%左右,若缺少针对性解决方案则可能难以进行后续综采工作。为快速进行综采作业,相关人员尝试引入创新型的瓦斯治理技术,以此快速降低瓦斯浓度,保证综采工作安全1。2 矿井瓦斯来源及涌出量增加原因2.1 瓦斯来源综采面及上隅角的瓦斯来源大致如下:(1)高浓度瓦斯常见于采煤作业落煤以及断层处在受到开采压力形成的裂隙位置,此类瓦斯通过气流混入矿井回风中。此外,断层处位置顶底板裂隙短时间内难以释放,随后逐步入侵采空区;(2)另一部分瓦斯来自采空区周边岩层、相邻煤层、周边大面积裂隙等部位。此类瓦斯在进入采空区后通常难以进行疏导,因而出现聚集现象。另外,漏风带外部的采空区内也积聚一部分瓦斯气体,在作业过程中部分瓦斯气体在液压支架处跟随漏风气流逐步进入到工作面上隅角,随后在上隅角位置进行积蓄。就实际而言,在作业面保持回采速度、通风系统稳定,同时及时分析周边地质因素的基础上,随98 2 0 2 3年第7期内蒙古石油化工工作面气流积蓄到采空区以及隅角位置的瓦斯浓度以及瓦斯涌出量也呈规律性变化。在作业过程中,回采过程中老空区顶底板出现裂隙,此位置积蓄的高浓度瓦斯初次释放,因而整体浓度高、压力大;同时开采初期老空区整体区域较为有限,该区域瓦斯多位于漏风带内因而在作业过程中形成了上隅角瓦斯异常涌出。随着作业区域的逐步扩增,老空区也随之扩增,当内部压力逐步形成平衡状态后,整体瓦斯涌出趋于正常。但当作业过程导致顶板破裂后,老空区内的瓦斯平衡逐渐失衡,因而导致采空区气体被压缩而向外部区域进行大面积扩散,出现在部分瓦斯在上隅角涌出等问题2。2.2 瓦斯涌出量增加原因在实际作业中,游离瓦斯通常以气体分布在煤层、岩体之间空隙以及裂隙中。由于该工作面位置的煤层孔隙较大,因而透气性能良好,所以在实际掘进过程中,通过合理抽放设计则可在掘进的同时显著控制作业面的瓦斯含量。但在回采作业期间,由于回采导致大量煤层的外露,以及后期作业产生压力失衡影响,煤层瓦斯状态也随之失衡,因此内部应力平衡随之打破进而出现局部区域瓦斯浓度暴涨问题。此外,一些煤岩透气性较为良好,在回采作业压力下,内部积蓄的游离瓦斯也在压力作用下逐步析出,导致综采工作面的整体瓦斯浓度随之上升。在煤层剩余瓦斯的不断涌出后,煤体内部瓦斯压力也随之减少,使得处于稳定状态逐步消失,造成原本处于内部吸附的瓦斯也逐步扩散到外部区域,因而煤层中产生了更多的游离瓦斯,若缺少治理方案则可能导致失衡影响不断扩大。煤体中将会不断地有游离状态瓦斯涌出,进而导致综采面作业的危险性不断提高3。3 综采工作面瓦斯治理的基本思路3.1 工作面制定科学的配风量科学配风是控制瓦斯涌出的主要手段之一,合理配风可在一定时间内大幅降低采面瓦斯涌出量。需要注意的是,针对上隅角瓦斯,供风量需进行临界值测算,达到临界值时浓度最低,若进一步增大供风量,则瓦斯浓度则出现回升。所以在不同矿井需结合本地煤层瓦斯分布以及总量等数据,结合实践经验科学控制配风量的设计方案,以免出现计算问题导致负面作用。3.2 高位抽排巷层位设计若高位巷布置靠近煤层,抽放作业可能导致大量空气夹杂瓦斯排出,虽降低了瓦斯浓度,但可能导致工作面出现漏风和自然发火,若离煤层太远,则周边区域的岩层可能出现弹塑性因而造成局部沉降,导致瓦斯通道受阻,瓦斯浓度上升。而裂隙带位置处因底部岩石垮落而出现的裂隙,同时周边区域可能存在大面积的水平与垂直裂隙,因此,在高位抽排时可借助此类区域形成瓦斯排放通道,因此高位抽排巷的有效设计位置是裂隙带4。3.3 上隅角瓦斯治理思路随着回采的移动,由于上下风巷密闭性逐渐下降,易出现漏风,导致回风巷内出现高浓度瓦斯,随后在作业过程中随着风流进入到工作面,因而导致上隅角瓦斯聚集,不利于安全生产。而通过设置封闭插软管方式进行分段抽放可有效降低上隅角瓦斯整体浓度。随着回采逐渐向前推进,技术人员应在采空区的上风巷位置提前布设抽放软管,同时确保软管在上隅角位置埋设深度达标,管口位置应预先开设数立方米的空间,随后将软管与抽排设备进行抽放。3.4 本煤层浅孔抽放随着回采作业深度的逐步增加,瓦斯涌出量也进一步提高,传统的通风方法难以有效控制井下瓦斯浓度,同时受经济技术等多方面因素影响,传统技术的综合效益较低。因此,针对部分综采面高瓦斯浓度问题,可借助本煤层煤体抽放瓦斯思路进行浓度控制,即在作业准备期间预先进行煤层瓦斯控制,并在稳定状态下借助煤层以及岩层的自身结构进行抽放瓦斯5。3.5 顶板钻孔抽放顶板钻孔法的主要作业对象为上覆岩层及周边区域中的瓦斯,其实际抽采率效果为1 0%。钻孔方案主要分为以下两类:顶板高位钻孔与顶板低位钻孔。(1)顶板钻孔抽放。在后续工作面位置顺槽向采面顶板打钻:钻孔间隔需错落分布,两类钻孔间距应为4 m,孔径为1 0 01 2 0 mm,并确保高位孔深为6 0 m,仰角为4 0,中孔高度4 0 m;低位钻深度3 04 0 m,仰角控制在1 5 2 0,终孔高度为1 0 m,垂直煤壁。借助低位钻孔进行隅角瓦斯释放,而借助高位钻进行顶部顶板瓦斯抽排。(2)顶板钻孔抽放。在回采工作面裂隙位置可适当增设高位钻孔,在布置过程中参考煤层的垂直距离与周边区域的实际地理环境进行综合考虑6。4 矿区综采工作面瓦斯治理创新技术4.1 高抽巷密闭设计在对高抽巷进行抽排设计时,为进一步提高抽09 内蒙古石油化工2 0 2 3年第7期 排效果,实际施工中,技术人员通常在预定位置增设2道闭墙,同时,在闭墙周边区域增设0.5 m深度的掏槽。首先,在设计建造第一道闭墙时,设计人员应将其位置布设在远离巷口5 m处,且整体厚度为1 m。然后,在第2道闭墙的建造时,则应根据围绕闭墙衡量基准,距离首道闭墙1 m位置进行建设,厚度设定在2 m左右。此外,在建造过程中应注意设置闭墙的过程中,应在该结构中增设一个反水池。同时,在两道墙之间预留后续管道作业空间,以此保障在后续建设中可根据实际需求进行抽放管路的改造与扩建,并根据实际需求增设加工框架。在实际制造以及设计过程中,设计人员可引入对应标准的通风设备标准进行组合搭配,在不同矿区进行架设时也可结合实际需求对通风设备进行调整。需要注意的是,在设计建造过程中设计人员应对下方的实际状况了如指掌,同时综合考虑多方面信息后方可进行实际实施工作。为降低密闭墙周边的漏风问题,在闭墙间隙位置应增加一定比例的黄沙混合物。在改造以及建设高抽巷抽放管路进行排放的过程中,具体长度应结合保持在3 5 m以上,并确保没入密闭墙体的整体深度在2 0 m左右。另外,要进一步增加密闭效果,设计人员可挑选合适的增添矩形防护网在管路末端位置进行固定。同时要注意,在挑选采购菱形网格时,应确保整体网格的间距设计维持在0.1 m左右。4.2 煤层打孔注水技术应用以长臂钻孔注水方案为例,在工作面进行开孔时应确保孔位置处于内煤层厚的一半位置,孔角度需结合煤层角度相互对应,间隔保持在1 5 m;必要时也可对煤层的实际厚度、周边地形情况以及裂隙的具体位置进行针对性调整,确保钻孔间距科学合理。在深度控制方面需保证钻深维持在3/4工作面长最佳,保持较长的释放时间,此时需钻孔放空与巷道掘进同步进行。在释放达到规定时间后,施工人员应在钻孔完成后进行高压注水,以此便可通过水压力将内部瓦斯从临近的空洞排出,如此一来既能够大面积降低粉尘浓度,也可在短时间内迅速降低瓦斯整体浓度。具体施工中,技术人员也可结合实际情况增加一定数量的临时抽放泵,以此提高整体瓦斯治理效果。另外,短臂钻孔注水技术也是常用技术之一,在具体施工中,操作员应以风钻钻孔,整体孔间隔应控制12 m左右,同时在孔位布置方面应采用三角形布置,如果煤层厚度较高,操作员也可结合实际需求增加钻孔的排列密度,如此一来则可进一步提高瓦斯治理效果。就实际而言,钻孔越多,瓦斯控制效果越好,综采过程中出现瓦斯风险问题的概率越低。在此过程中,技术人员若将在高压水注入时同步进行钻孔作业,其瓦斯治理效果则可进一步增强。4.3 增设临时性井下瓦斯抽放泵首先在准备阶段应明确外部条件,详细分析勘察数据,若瓦斯涌出量在综采面中超过4 m3/m i n以上,或者瓦斯在掘进过程中超过3 m3/m i n以上,则应杜绝采取通风手段进行瓦斯控制,以免出现自燃问题。在这样的情况下,设计人员应增加一定数量临时抽放泵进行瓦斯外排,需要注意的是,此类瓦斯治理方式需在整体涌出量超过3 0 m3/m i n以上时方可考虑实际用,同时具体布置方案应参考矿井实际产量来确定。同时根据在综采面上勘察获取的瓦斯浓度超过规定标准后,均可针对综采面上勘察获取的瓦斯浓度布置临时性的抽送泵来进行瓦斯抽送,同时也可结合相关规定要求以及勘察数据对抽放泵进行多组并联,提高工作效率。具体抽方过程中,在实际作业过程中技术人员应结合实际矿井环境选择上隅角瓦斯抽方法、本煤层瓦斯抽方法、上隅角埋管瓦斯抽方法等不同的作业方案,同时关注抽方法的经济性与实效性。但若整体煤层的厚度处于较低位置,裂隙数量较少,或者是瓦斯赋存量低于警戒线,则可采取上隅角抽放,并适当增加设备组数,只要将此位置的瓦斯浓度控制在规定水平范围内,则可消除整个综采工作中的瓦斯浓度超标的基本问题。4.4 控制上隅角位置的积聚空间结合相关数据分析发现,在本煤矿中,上隅角位置的瓦斯浓度远高于综采工作面的其他位置,因此在瓦斯控制方面应围绕这一位置进行针对性作业。基于此,为控制井下综采瓦斯浓度,避免工作面位置出现高浓度瓦斯聚集问题,降低井下作业人员的瓦斯中毒与自燃风险,在瓦斯控制作业过程中应针对上隅角位置进行针对性瓦斯控制。在诸多作业方面中,多数设计人员主要围绕瓦斯制定针对性方案,而针对上隅角空间进行压缩与控制也可达到良好的瓦斯控制效果,且整体风险性更低。在实际作业过程中,技术人员应将对应位置的支护进行回撤,同时采用超前回撤法进行作业。当工作面进行移架时,上隅角位置的顶板将失去支撑,因而在应力作用下会出现冒落现象,进而导致上隅角位置内部空间逐步减少,瓦斯浓度自然下(下转9 5页)19 2 0 2 3年第7期牛晓波等 矿井综采工作面瓦斯治理创新技术研究图4 华庆油田长4+5油藏层内砂体解释及电阻率柱状图4 结论华庆油田长4+5低阻油藏的形成是多种因素共同作用的结果,但岩石结构成熟度低、高放射性砂岩、岩石颗粒粒径小、水化粘土矿物含量高、地层水矿化度高、油水分异不彻底是形成低阻油藏的主要因素。高泥质含量、复杂孔隙结构对储层电阻率的影响相对较小。参考文献1 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结束语综上,瓦斯的防护治理是提高矿区综采面工作效率的重要保证,在近些年来瓦斯问题逐渐增长的背景下,相关矿业部门应制定强制性措施,要求下属矿企引进、学习创新型的瓦斯控制技术,同时结合本地实际情况进行技术优化,不断改进和完善瓦斯防控治理工作效果,以此降低综采工作面瓦斯外泄以及浓度失衡的问题,逐步提高瓦斯控制与防控工作的科学性、合理性和有效性,避免瓦斯事故的发生。参考文献1 高瓦斯突出矿井综采工作面瓦斯治理技术探讨 C/.煤 矿 综 合 自 动 化 与 机 电 技术.,2 0 1 2:.2 叶俊良,秦兴林.定向水力压裂增透技术在矿井瓦 斯 治 理 中 的 应 用 J.中 国 矿 山 工 程,2 0 2 1,5 0(3):3 3-3 5+3 9.3 杨剑广.壁盈煤矿9#煤层矿井瓦斯治理研究与一通三防设计D.太原理工大学,2 0 2 0.4 张宜翔,王超群.高瓦斯矿井综采工作面瓦斯治理 技 术 探 析 J.山 东 工 业 技 术,2 0 1 5(1 0):9 4.5 解志胜.高瓦斯突出矿井综采工作面U型通风瓦斯治理技术的研究J.煤炭科技,2 0 1 9,4 0(5):1 0 4-1 0 5.6 杨勇.高瓦斯矿井瓦斯超限治理动态管控体系的探索与实践J.煤矿开采,2 0 1 6,2 1(6):8 4-8 7.59 2 0 2 3年第7期王明瑜等 华庆油田长4+5低阻油藏成因分析