高瓦斯矿井沿空留巷瓦斯治理技术研究与应用.pdf

第4 6 卷第7 期2023年7 月煤矿安全环保与煤炭加工高瓦斯矿井沿空留巷瓦斯治理技术研究与应用煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.7Jul.2023王艳龙1，牛冠宇，高成章1，薛勤3（1.山西银锋科技有限公司，山西太原0 3 0 0 0 0；2.龙软（山西）智控科技有限公司，山西太原0 3 0 0 0 0；3.山西临县华烨煤业有限公司，山西太原0 3 3 0 0 0）摘要：本文从瓦斯防治方面对沿空留巷技术安全应用进行研究，分析了华烨煤业4 10 5回风顺槽留巷段2 次瓦斯超限，提出了布置留巷顶板瓦斯抽采系统，增设瓦斯涌出监测方式，优化通风系统和合理选择采空区喷涂封闭时间等一系列高瓦斯矿井沿空留巷瓦斯治理技术，并在高瓦斯矿井华烨煤矿进行了应用。结果表明，4 10 5工作面回采期间工作面瓦斯浓度由0.37%降低至0.15%，留巷巷道内甲烷浓度稳定在0.1%0.15%，工作面成功实现沿空留巷1050m，验证了无煤柱自成巷沿空留巷技术在高瓦斯矿井应用的可行性，同时也为类似条件矿井瓦斯治理提供了思路和手段。关键词：高瓦斯；沿空留巷；瓦斯抽采系统；通风系统；瓦斯涌出监测；采空区封闭中图分类号：TD712文献标识码：B文章编号：2 0 95-597 9（2 0 2 3）0 7-0 10 7-0 3Research and application of gas control technology for gob-side entry retaining in high gas mineWang Yanlong,Niu Guanyu 3,Gao Chengzhang,Xue Qin3(1.Shanxi Yinfeng Technology Co.,Ltd.,Taiyuan 030000,China;2.Longruan(Shanxi)Intelligent Control Technology Co.,Ltd.,Taiyuan 030000,China;3.Shanxi Linxian Huaye Coal Industry Co.,Ltd.,Taiyuan 033000,China)Abstract:This paper studies the safety application of gob-side entry retaining technology from the aspect of gas preventionand control,analyzes the 2 times of gas overrun in the 4105 return air roadway section of Huaye Coal Industry,and putsforward a series of gas control technologies for gob-side entry retaining in high gas mine,such as arranging the gas drainagesystem of the roof of the retaining roadway,adding the gas emission monitoring method,optimizing the ventilation systemand reasonably selecting the spraying and sealing time of the goaf,which are applied in Huaye Coal Mine of high gas mine.The results show that during the mining period of 4105 working face,the gas concentration in the working face is reducedfrom 0.15%to 0.15%,the methane concentration in the retained roadway is stable at 0.1%0.15%,and the workingface successfully realizes 1050 m gob-side entry retaining.The feasibility of the application of gob-side entry retainingtechnology without coal pllar in high gas mine is verified,and it also provides ideas and means for gas control in mines withsimilar conditions.Key words:high gas;gob-side entry retaining;gas extraction system;ventilation system;gas emission monitoring;closedgoaf生产条件的矿井得到了验证和应用，但瓦斯、地质0引言构造、通风、水文条件、防灭火等各类特殊的生产随着能源紧张局面和环保压力的进一步发展，条件却成为制约沿空留巷技术大范围推广的重要因煤矿绿色开采技术得到了快速的推广和发展，沿空素，尤其是沿空留巷留巷段瓦斯治理问题，成为高留巷作为一种高效、绿色的开采技术，在各类不同瓦斯矿井是否能够应用沿空留巷技术的首要考虑因责任编辑：高小青D0I:10.19286/ki.cci.2023.07.028作者简介：王艳龙（1993 一），男，山西太原人，助理工程师。引用格式：王艳龙，牛冠宇，高成章，等.高瓦斯矿井沿空留巷瓦斯治理技术研究与应用 J1.煤炭与化工，2 0 2 3，4 6（7）：10 7-10 9，114.1072023年第7 期素。何满潮提出“切顶短臂梁理论”，形成了无煤柱自成巷110 工法煤矿开采技术，并首次将该技术应用于煤与瓦斯突出矿井白皎煤矿2 4 4 2 工作面，证实了无煤柱自成巷技术在高瓦斯矿井乃至突出矿井中可行性，为高瓦斯矿井沿空留巷技术的推广提供了可靠的理论基础和实践论证；刘锋、秦华斌分析了回采工作面瓦斯的分布规律，针对不同的区域采取了不同的瓦斯治理技术，实现了工作面以及沿空留巷瓦斯治理，为高瓦斯矿井瓦斯治理技术的研究提供了值得借鉴的设计方案 2-3 ；阳骏重点介绍了通过实施高位、下向抽采系统，调整双巷的风量，实现了工作面的安全回采，证实了瓦斯抽采是沿空留巷瓦斯治理的一种关键手段；马步才、罗中、王小龙从顶板补强支护，回采工艺，瓦斯治理，效益分析等方面论述了各类沿空留巷技术在高瓦斯矿井成功实施，证实了高瓦斯矿井实施沿空留巷的必要性和可实施性 5-7；何满潮分析了矿山压力与瓦斯涌出量的变量关系，通过实验模拟，得出了瓦斯涌出量与矿山压力成正相关，论证了切顶卸压无煤柱自成巷110 工法通过切断应力传递，形成卸压区大幅减小瓦斯涌出压力和流量8；栾恒杰、李臣武详细介绍了通过建立瓦斯抽放系统，优化抽放孔布置，采取层位抽放的方式，解决了回采工作面瓦斯涌出造成的超限问题，实现了高瓦斯矿井无煤柱自成巷沿空留巷技术的应用 9-10 。为了解决沿空留巷瓦斯超限问题，研究人员多集中在瓦斯治理的方式和基础理论分析上，只对工作面回采期间的瓦斯治理问题进行了研究说明，而未能对瓦斯的监测方式和沿空留巷留巷段稳定区域内瓦斯涌出的异常现象进行研究，本文在分析华烨煤业4 10 5回风顺槽留巷段2 次瓦斯超限原因的基础上，通过建立采空区瓦斯监测系统，增加顶板瓦斯抽采系统配合采空区封闭等方式，实现了高瓦斯矿井沿空留巷瓦斯治理。1工程概况为最大限度的实现煤炭资源的高效开采，华烨煤业在4 10 5工作面实施无煤柱自成巷沿空留巷技术，4 10 5工作面走向长度为17 4 6 m，倾向长度为199 m。开采煤层4 号煤层最大埋深4 55m，瓦斯绝对涌出量3 6.4 0 m/min，矿井瓦斯相对涌出量16.4 0m/t，回采最大绝对涌出量5.0 9m/min，掘进最大绝对涌出量1.3 0 m3/min，矿井二氧化碳相对涌出量2.19 m/t，矿井二氧化碳绝对涌出量4.8 6108煤炭与化工m/min，为高瓦斯矿井。工作面实现“W”型通风方式，两工作面运输顺槽进风，4 10 5工作面回风顺槽回风（图1)。运输顺槽回风顺槽4 10 5工作面运输顺槽_4 10 4 工作面图1W通风方式Fig.1 W ventilation mode工作面抽采系统，在回风顺槽布置抽放管路，在4 10 5回风顺槽共设计3 个高位钻场，1号钻场设置在距离出口110 0 m处，2 号钻场设置在距离出口58 0 m处，3 号钻场设置在回风顺槽口联巷处(图2)。3号钻场Fig.2 Location of drilling site2瓦斯涌出异常现象4105回风顺槽留巷段，4 10 4 回风隅角甲烷传感器T0有一次持续3 3 s浓度0.8 2%的超限报警，4104工作面甲烷传感器T1有一次持续3 3 s浓度1.37%的超限报警，且第二次超限报警有明显的突升现象，4 10 4 工作面甲烷传感器后路其余甲烷传感器均有明显的波动出现。根据监控系统的数据及现场反馈的信息，造成甲烷传感器超限可能存在以下几种原因。（1）开切眼未进行切顶卸压，可能存在局部悬顶现象，顶板局部来压垮落，加上喷涂封闭质量不可靠，顶板裂隙，造成采空区瓦斯突然涌入巷道造成短时间的甲烷浓度升高的现象。（2）4 号煤与5号煤之间受夹层厚度小，甚至4 号煤顶板直接为5号煤，造成5号煤受4 号煤采动影响，赋存的瓦斯涌向4 10 5工作面采空区，然后通过顶底板裂隙，涌向留巷巷道造成甲烷浓度升高。（3）甲烷受到地质、通风、生产等多种条件的影响，在分析甲烷浓度的变化是应从多个方面综合考虑，采取的治理技术手段也应该是综合考量，从它的赋存条件来源人手，从通风抽采、协调生产方面考虑，采取多种技术手段去解决。甲烷监测系统布置如图3 所示。第4 6 卷一采区2号钻场1号钻场图2 钻场位置示意王艳龙等：高瓦斯矿井沿空留巷瓦斯治理技术研究与应用运输顺槽停采线4015工作面回风顺槽TTO4014工作面运输顺槽图3 甲烷监测系统布置Fig.3 Layout of methane monitoring system3瓦斯治理措施3.1留巷顶板瓦斯抽采系统防治4 10 5回风顺槽顶板裂隙瓦斯的涌出，施工垂直顶板的钻孔，具体施工要求如下。(1）施工要求。距现在施工的切顶往外0.6 m施工，每隔50 m施工1组（5个）垂直顶板的钻孔，每个钻孔的间距为1m，孔深2 2 m，钻孔直径50 mm（图4）。（2）施工工程量。施工3 4 组，共计17 0 个钻孔。运输顺槽停采线4105工作面回风顺槽第n组、第三组第一组50ml50.ml50ml4104工作面运输顺槽图4 钻孔施工位置示意Fig.4 Drilling construction location sketch3.2留巷侧采空区监测及封闭措施在沿空留巷侧工作面开切眼内设置1号测点，当工作面推进到10 0 m时，在距工作面3 0 m处预埋管内设置2 号测点，再推进7 0 m时在距工作面30m处预埋管内设置3 号测点，如此往复，同时在监测位置设置人工检测点，留巷巷道稳定段每个50m设置人工气体检测点（图5）。监测蓝测美监测人工检测图5监测点布置示意Fig.5 Layout of monitoring points留巷后对留巷采空区侧进行喷浆处理。根据矿压监测记过分析，架后0 10 0 m区段为顶板运动剧烈阶段,同时考虑到采空区未充填严实，此时W通风方式使采空区处于负压区域，避免了采空区瓦斯积聚，采取风筒布加金属网进行初步的封闭处理，在滞后工作面距离大于10 0 m后，围岩运动减2023年第7 期弱，可进行初次喷浆，厚度4 0 mm，根据现场矿压监测情况，留巷巷道围岩运动滞后工作面2 0 0 m基本稳定，进行复喷喷浆厚度为6 0 mm（图6）。喷涂材料钢筋网/风筒布图6 采空区喷涂封闭效果图Fig.6 Effect diagram of spraying sealing in goaf 44105沿空留巷应用效果采用顶板瓦斯抽采系统配合留巷侧采空区气体监测及封闭瓦斯治理技术，4 10 5工作面回采期间工作面瓦斯浓度由原来的平均0.3 7%降低至平均0.15%，降低59%，留巷巷道内甲烷浓度稳定在0.1%0.15%，且回采10 50 m，4 10 4 回风隅角甲烷传感器TO和4 10 4 工作面甲烷传感器T1均未再次出现瓦斯超限问题，采取合理有效的瓦斯治理技术，保障了4 10 5工作面安全回采，实现了工作面留巷10 50 m，安全增产9.8 4 万t煤，实现了4 10 5工作面无煤柱自成巷开采，为下一步全矿井应用无煤柱自成巷沿空留巷技术提供可靠的技术支撑。4105工作面甲烷浓度变化曲线图如图7 所示，回风顺槽留巷段甲烷浓度变化曲线图如图8 所示。0.18%由0.14甲烷浓度0.15%0.10.060.022022/5/552000/6/22022/6/302022/7/282022/8/25图7 4 10 5工作面甲烷浓度变化分析曲线图Fig.7 Analysis curve of methane concentration change东管策管束管0.9%/由0.70.50.30.12022/5/52000/6/22022/6/302022/门7/2 8 2 0 2 2/8/2 5日期图8 4 10 5回风顺槽留巷段甲烷浓度变化分析曲线Fig.8 Analysis curve of methane concentration changein 4105 return air roadway section甲烷浓度1%日期in 4105 working face超限浓度0.8%甲烷浓度/%（下转第114 页）1092023年第7 期9Murayamaa N,Yamamotob H,Shibata J.Mechanism of zeolitesynthesis from coal fly ash by alkali hydrothermal reaction J.International Journal of Mineral Processing,2002,64（1):1-17.10倪铮，唐颐，华伟明.由煤研石制取NaX型分子筛 J石油化工，2 0 0 0，2 9（5）：3 3 6-3 4 0.11 任根宽，谭超，朱登磊.煤研石制备4 A分子筛处理垃圾渗滤液 J.水处理技术，2 0 13，3 9（8）：2 7-2 9.12杨建利，杜美利，于春侠，等.煤研石制备4 A分子筛的研究 JJ.西安科技大学学报，2 0 13，3 3（1）：6 1-6 4.13Bibby D M,Dale M P.Synthesis of silica-sodalite from non-aq-ueous systemsJ J.Nature,1985,317(6033):157-158.14 Qian T T,Li J H.Synthesis of Na-A zeolite from coal gangue withthe in-situ crystallization technique J.Advanced Powder Tech-nology,2015,26（1):9 8 -10 4.15 钟声亮，张迈生，黄宜祥.4 A分子筛的微波半工业合成 J材料导报，2 0 0 7，1（2 1）：155-157.16 陈晶，孙德坤，董少春，等.微波法缎烧高岭土及合成洗涤助剂4 A沸石 J.无机化学学报，2 0 0 0，16（5）：7 6 9-774.17于存贞，王延玲，常升.以煤研石为原料固体一一蒸汽相转化合成4 A型分子筛 J.轻金属，2 0 11（8）：15-18.18 Burton A.Recent trends in the synthesis of high-silica zeolites J.Catalysis Reviews Science and Engineering，2 0 18,6 0 （1):132 175.19 Liu X D,Wang YP,Cui X M,et al.Influence of synthesis pa-rameters on NaA zeolite crystals J J.Powder Technology,（上接第10 9页）5 结 论（1）通过增加留巷顶板瓦斯抽采系统，解决了留巷巷道内3 个导致瓦斯涌出量增加的问题。一是解决了采空区顶板来压造成的瓦斯突然升高的问题；二是解决了采空区瓦斯积聚的问题；三是解决了由于顶板来压导致的顶板产生裂隙沟通上覆采空区导致的瓦斯涌出量增加的问题。（2）通过合理的布置束管监测系统，设置留巷侧甲烷人工检测点等监测手段，同时根据矿压监测分析结果，选择合理的喷涂时间封闭采空区，进一步隔断留巷侧采空区气体对留巷巷道的影响。（3）通过将传统的“U”型通风方式变为更适合高瓦斯矿井的“W”型通风方式，消除了工作面上隅角，从原理上解决上隅角瓦斯积聚的隐患。（4）华烨煤业作为高瓦斯矿井，通过优化通风方式，增加留巷顶板抽采系统，布置留巷采空区监测系统等方式，解决了高瓦斯矿井高瓦斯矿井沿空留巷瓦斯，留巷巷道内瓦斯浓度稳定在0.1%0.15%，采取措施后留巷内在未出现瓦斯超限问题。114煤炭与化工2013,243（7):18 4-19 3.20 Namasivayam C,Jeyakumar R,Yamuna R T.Dye removal fromwastewater by adsorption on“waste Fe(III)/Cr(III)hydroxideJ.Waste Management,1994,14(7):643-648.21 金世良，成岳，钟立军.煤研石合成ZSM-5分子筛及其吸附性能研究 J.中国陶瓷，2 0 0 9，4 5（7）：17-19.22孙鸿，张稳婵，王红霞，等.煤石制备沸石一活性炭复合材料的吸附性能研究 J1.应用化工，2 0 0 8，3 7（6）：636-639.23 陈莉荣，张娜，杜明展，等.煤巧石沸石吸附氨氮废水试验研究 J.工业水处理，2 0 14，3 4（7）：4 5-4 7.24任根宽.用煤巧石合成4 A沸石分子筛处理氨氮废水 J.环境工程学报，2 0 14，8（4）：153 3-153 8.25张萌萌.研石基NaX型拂石对水中重金属离子的吸附性能研究 D.西安：陕西师范大学，2 0 15.26 王倩.煤石合成4 A沸石及其对含氟废水的吸附研究 D.西安：陕西师范大学，2 0 16.27 GGao Y J,Huang H J,Tang W J,et al.Preparation and characteriz-ation of a novel porous silicate material from coal gangue J.Microporous and Mesoporous Materials,2015,217(15):210-218.28 冯经昆，钟山，孙立文，等.重庆某垃圾焚烧厂周边土壤重金属污染分布特征及来源解析 J.环境化学，2 0 14，3 3(6):969-975.【2 9牛静静，郭士岭，陈宜很，等.高岭土微球原位合成L沸石过程中的影响因素 J.石油学报，2 0 0 8，2 4（3）：2 3 7-242.参考文献：1 何满潮，宋振骐，王安，等.长壁开采切顶短壁梁理论及其110 工法-第三次矿业科学技术变革 J.煤炭科技，2017(1):19,13.2刘锋.高瓦斯矿井沿空留巷Y型通风瓦斯治理技术研究J.能源技术与管理，2 0 16（1）：3 0-3 1.3秦华斌，刘兴.近距离煤层Y型通风回采工作面瓦斯治理技术研究与应用 J.煤，2 0 2 0，2 9（12）：2 3-2 6.4阳骏.沿空留巷无煤柱开采瓦斯综合治理技术的应用研究 J.科学技术创新，2 0 2 0（8）：18 3-18 4.5马步才.沿空留巷无煤柱开采技术在高瓦斯矿井的应用 J.山西焦煤科技，2 0 0 9（12）：2 5-2 7.6罗中.高瓦斯矿井大断面煤巷沿空留巷技术研究与应用J.煤炭工程，2 0 14（12)：56-59.7王小龙，董志勇高瓦斯煤层切顶卸压无煤柱自成巷技术应用研究 J.工矿自动化，2 0 19（7）：9 7-10 1.8何满潮，任晓龙，宫伟力，等.矿山压力对煤矿瓦斯涌出影响实验分析及其控制 J.煤炭学报，2 0 16（1）：7-13.9栾恒杰，蒋宇静，林惠立.基于沿空留巷与多方位抽采的瓦斯综合治理技术应用 J.山东科技大学学报自然科学版，2017(3):38-44.【10 李臣武.突出煤层沿空留巷综采工作面瓦斯综合治理技术J.煤炭科学技术，2 0 15，4 3（S1）：8 9-92，12 3.第4 6 卷