深部突出区域回采工作面不同层位瓦斯抽采技术.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：刘承宇（），男，辽宁凌源人，高级工程师，年毕业于河北工程大学，现从事煤矿瓦斯治理与现场管理工作。引用格式：刘承宇，李贤忠 深部突出区域回采工作面不同层位瓦斯抽采技术 煤炭科技，（）：，（）：文章编号：（）深部突出区域回采工作面不同层位瓦斯抽采技术刘承宇，李贤忠（峰峰集团九龙矿，河北 邯郸 ；河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 ）摘要：随着煤炭开采不断向深部延伸，煤层瓦斯压力不断增大，瓦斯灾害越来越成为威胁矿井安全的主要灾害之一。以九龙煤矿 回采工作面为例，对其煤层瓦斯现状进行了分析，提出了瓦斯综合治理方案，采用上中下“三位一体”瓦斯综合治理技术，实施了工作面瓦斯交叉、立体、全方位抽采，取得了良好的效果，提高了矿井经济效益，保障了矿井的安全高效生产。关键词：煤与瓦斯突出；深部开采；不同层位；瓦斯抽采中图分类号：文献标志码：，（，；，）：，：；：煤层中的瓦斯通常由多种不同成分气体组合而成，甲烷为其主要成分，一般以游离和吸附两种状态赋存于煤岩体中 。我国多数矿井都存在瓦斯灾害防治难题，深部开采环境下瓦斯灾害是威胁矿井安全的主要灾害之一 。九龙矿属于煤与瓦斯突出矿井，主采的 号煤层属于突出煤层，瓦斯含量较高，透气性系数 （），属于难抽采煤层。在煤层采掘过程中瓦斯涌出量大，严重制约了矿井安全生产。随着矿井不断向深部延伸，煤层瓦斯压力逐渐增大，矿井瓦斯涌出量呈逐渐增大趋势，且地质构造较复杂，瓦斯分布不均匀，瓦斯治理难度加大 。回采工作面瓦斯治理方案 工作面位于九龙矿北三采区，该工作面埋藏较深、煤层瓦斯含量高，由于保护层工作面开采过程中频繁压架等无法正常开采，导致工作面瓦斯治理难度大。为了避免 工作面回采期间发生瓦斯事故，根据工作面煤层赋存和巷道布置等实际情况，制定了 工作面上中下“三位一体”综合瓦斯治理措施。上层位即施工顶板抽采巷并在巷道内施工高位钻孔；中层位即应用大功率瓦斯抽采泵匹配大直径管路治理采空区瓦斯，在工作面两 年第 期刘承宇，等：深部突出区域回采工作面不同层位瓦斯抽采技术第 卷巷施工本煤层顺层拦截钻孔抽采瓦斯；下层位即利用两条底板野青巷道施工穿层预抽钻孔对工作面掘进期间上下两巷和回采区域进行消突，同时利用底板穿层钻孔对工作面采前、采中、采后持续下层位抽采瓦斯。上层位瓦斯抽采技术研究 高位钻孔瓦斯抽采 顶抽巷内布置有 组高位钻孔，其中第组钻孔布置顶抽巷 点前 处，第 组钻孔布置在顶抽巷 点处，钻孔终孔层位位于煤层顶板以上 处。采取在顶抽巷内施工 个探透上巷钻孔，与上巷瓦斯抽采主管路连接，使顶抽巷内两组高位钻场分别实现独立控制和抽采，钻孔参数见表 ，钻孔布置如图 所示。表 高位钻孔参数 组号孔号方位角（）倾角（）孔径 孔深 第 组 扩孔至 扩孔至 扩孔至 扩孔至 扩孔至 扩孔至 扩孔至 扩孔至 第 组 扩孔至 扩孔至 扩孔至 扩孔至 扩孔至 扩孔至 扩孔至 扩孔至 图 顶抽巷高位钻孔抽采示意 顶抽巷瓦斯抽采 工作面煤层厚度 左右，经理论计算确定该回采工作面采空区顶板冒落带最大高度为 ，裂隙带最大高度为 。同时，结合邻近工作面抽采效果等因素综合分析，工作面顶抽巷宜布置在煤层顶板上 ，内错回风巷 （平距）处。在顶抽巷末端（与 上巷相透处）建筑密闭墙，墙内留设一趟 管路和一趟 管路与回风巷 管路连接，使用井下移动抽采泵（额定抽采能力 ）进行抽采，如图 所示。图 顶抽巷与工作面位置关系 中层位瓦斯抽采技术研究 工作面动压区顺层钻孔瓦斯抽采回采过程中，因工作面前方煤层受集中应力作用，煤体容易产生裂隙，透气性增大，这种状态有利于瓦斯运移 。与此同时，在集中应力的峰值区域，煤层受到的应力最大，整体呈塑性状态，且急剧扩大了钻孔周围的极限塑性区范围，有利于动压区瓦斯抽采。开采工作面前方，受支承压力影响，煤层透气性增强，为瓦斯的涌出创造了有利条件。在 工作面两巷施工顺层瓦斯抽采钻孔，钻孔在巷道单排平行布置，钻孔间距不大于 ，钻孔孔径由 扩孔至 ，回风巷钻孔孔深不小于 ，运输巷钻孔孔深不小于 。施工顺层钻孔不但可以拦截抽采煤体瓦斯，做到“应抽尽抽”，同时顺层钻孔与穿层钻孔在空间上形成了“交叉互通”，顺层钻孔对煤体进行了二次扰动，进一步增加了煤体裂隙，对穿层钻孔持续抽采起到较好的作用。工作面顺层钻孔布置如图 所示。年第 期煤炭科技第 卷图 工作面顺层钻孔布置示意 采空区埋管瓦斯抽采工作面回采过程中破坏了煤体的压力平衡状态，使得煤体压力释放，引起煤体及顶底板移动变形产生顶底板裂隙，从而形成了向采空区排放瓦斯的裂隙通道。瓦斯通过裂隙通道逸散至采空区及上隅角，造成工作面上隅角、采空区大量瓦斯聚积。为有效解决采空区及上隅角瓦斯积聚难题，在上隅角处垒设煤袋墙封堵采空区瓦斯，同时在工作面回风巷敷设一趟 瓦斯管路，并与 大功率移动泵连接，每隔 在管路上安设一个 接口，并安装挡板防止漏气；工作面推进至 接口时，将接口的挡板打开，蜂窝式抽采头安装在接口，上部接顶延伸至采空区。重复此工序，并在其周围垒设木垛，防止顶板垮落将蜂窝式抽采头砸坏；蜂窝式抽采头埋入采空区后，对采空区瓦斯进行抽采。埋管抽采布置如图 所示。图 上隅角采空区埋管抽采示意 下层位瓦斯抽采技术研究基于超前谋划的“一面五巷”瓦斯治理模式下，利用 条底板野青巷道施工穿层预抽钻孔，对工作面掘进期间两巷和回采区域进行消突，同时利用底板穿层钻孔对工作面采前、采中、采后持续下层位抽采瓦斯。回采工作面推采过程中穿层钻孔继续保持抽采状态，回采过程中煤体应力再次发生改变，距离工作面较近的煤体因应力变化煤体裂隙会再次发育，工作面推进过程中超前应力也随之前移，有利于穿层钻孔的卸压抽采。推采过后采空区内会积存大量瓦斯，穿层钻孔也可抽取采空区积存瓦斯，减少了向工作面涌出，如图 所示。图 穿层孔抽采示意 相关技术关键 裂隙带层位控制随着回采工作面开采不断进行，煤层逐渐被开采剥离，采空区上方的岩层由下至上受到拉伸和挤压破断力，发生不同程度的破坏并逐渐形成竖向破断裂隙，其发育程度极大程度上决定着岩层的导气性。研究结果表明，覆岩裂隙的破坏状况和破坏程度呈分带性，根据断裂程度将其由下向上划分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。瓦斯富集与采动覆岩裂隙之间存在统一关系：在采空区垮落带，覆岩发生完全的垮落，瓦斯在工作面两巷压差的作用下，瓦斯浓度受采空区漏风影响明显，因此该区域瓦斯浓度较低，为低浓度瓦斯易抽区；在裂隙带中，岩层存在竖向裂隙但并未贯穿完整岩体，彼此横向裂隙能够形成良好的沟通，瓦斯受升浮作用继续向上作用受到限制，瓦斯横向方向上可产生瓦斯汇集作用，这个区域为高瓦斯易抽区。回采工作面采空区顶板垮落带和裂隙带最大高度理论计算公式：垮落带高度：（）裂隙带高度：（）年第 期刘承宇，等：深部突出区域回采工作面不同层位瓦斯抽采技术第 卷式中，为工作面采高。工作面初采期间采高为 ，计算得采空区垮落带最大高度 为 ，采空区裂隙带最大高度 为 ；工作面放顶煤期间采高为 ，计算得采空区垮落带最大高度 为 ，采空区裂隙带最大高度 为 。综上可以得出，工作面初采期间采空区顶板裂隙带范围为 ，放顶煤期间采空区顶板裂隙带范围为 。高位钻孔抽采实施“大孔径、大管路、大流量、严封孔、管到底”抽采措施，钻孔封孔注浆时，将普通水泥改为新型封孔专用超细水泥，超细水泥凝固效果和膨胀性能好，凝固后不收缩，保证了钻孔封孔严密。针对高位钻孔施工过程中受其他因素影响造成的塌孔现象，在钻孔封孔段以里全程下护孔花管，防止塌孔，保证了钻孔成孔效果。创新采取在顶抽巷内施工 个探透回风巷钻孔，与回风巷瓦斯抽采主管路连接，使顶抽巷内 组高位钻场分别实现独立控制和抽采，达到了理想的抽采效果。随着工作面推进，采空区顶板裂隙开始发育，高位钻孔抽采纯量由 提高到 ，长时间维持 以上。组高位钻孔压茬长度超过 ，在工作面推过 号钻场时，号钻场已起到抽采作用，保证了钻场衔接期间有较高的抽采纯量。高位钻孔布置在顶抽巷顶板，工作面在推过钻孔开孔位置后，由于顶抽巷不会立即垮落，高位孔可较好地保留；创新钻孔连孔方式，利用顶抽巷与回风巷之间的探透孔抽采，工作面推过号钻场后抽采纯量仍保持在 以上。顶抽巷抽采工作面推采期间，每 安排人员对顶抽巷抽采数据进行观测，分析工作面推采位置与顶抽巷的位置关系，根据现场实测抽采数据及时调整抽采系统；经过调配 趟预留管路阀门，优化合理分配 趟管路抽采量和负压，实现了抽采效果最大化。随着工作面不断推采，顶抽巷层位逐渐由采空区垮落带变化为采空区裂隙带，抽采浓度由最初的 上升到最大 ，抽采纯量由最初的 上升到最大 。顺层钻孔抽采为提高 工作面两巷顺层钻孔抽采效果，利用大功率履带钻车施工 钻头钻进成孔，后换用大直径（）钻头进行二次扩孔，完钻后使用“两堵一注”封孔。二次扩孔增大了钻孔直径，增加了煤体暴露面积，使钻孔抽采面积提高 ，单孔浓度提高 以上，有效释放了工作面煤体瓦斯，增加了抽采量，保证了钻孔抽采效果。施工顺层钻孔不但可以拦截抽采煤体瓦斯做到“应抽尽抽”，同时顺层钻孔与穿层钻孔在空间上形成了“交叉互通”，顺层钻孔对煤体进行了二次扰动，进一步增加了煤体裂隙，对穿层钻孔持续抽采起到较好的作用。采空区埋管抽采采用大直径管路采空区埋管加设蜂窝式抽采头抽采以后，瓦斯抽采效果显著，在工作面回采过程中，上隅角瓦斯浓度保持在 ，瓦斯得到了有效控制，最大抽采流量达到 ，最大抽采纯量达到 ，解决了上隅角瓦斯积聚制约生产的不利因素，有效保证了工作面的安全生产。穿层孔抽采积极开展穿层钻孔水力冲孔增透工作，取得了良好成果。通过技术革新和设备升级，形成了一整套新型水力冲孔设备（冲孔钻头变接、冲孔可扩容储水箱、防喷装置、震动筛煤水分离器）并投入了使用。通过采取水力冲孔增透技术，钻孔瓦斯抽采浓度提升 倍，瓦斯抽采纯量提升 倍。钻孔封孔注浆时，将普通水泥改为新型封孔专用超细水泥，超细水泥凝固效果和膨胀性能好，凝固后不收缩，保证了钻孔封孔严密。对漏气的穿层钻孔使用新型材料进行二次注浆封孔，提高抽采效果。通过分析工作面推采位置与穿层孔钻场的位置关系，根据现场实测抽采数据，及时调整抽采系统，经过调配各抽采钻场阀门，优化合理分配各抽采点抽采量和负压，实现了穿层钻孔抽采效果最大化。综合效益情况 安全效益从理念上坚持“超前入手、超高投入、超长抽采、守正创新”瓦斯治理方针；从技术上秉承“设计优、装备新、钻到位、封孔严、考核细、效果好”瓦斯抽采十八字工作要求；从执行上落实“局部通风不循环，风筒跟头不超远，钻孔接抽不隔天，抽采瓦斯不间断，瓦斯巡查不假检，监测监控不断线，通风设施不违建，回风瓦斯不过半”通防管理“八个不”目 年第 期煤炭科技第 卷标要求。通过不断摸索规律，总结瓦斯治理经验，形成了一套适合回采工作面的综合瓦斯治理技术路线，打造出了具有九龙矿特色的瓦斯治理品牌。通过该项目的实施，创新高压水力冲孔、超高压水力割缝消突增透工艺，应用顶抽巷高位孔分组独立接抽、大直径顺层拦截、大功率设备采空区封闭式抽采等先进技术，工作面风量 ，回风瓦斯浓度保持在 以下，上隅角瓦斯保持在 ，确保了工作面安全高效生产。经济效益（）节省钻孔工程量。工作面可减少施工高位钻场 个，减少高位钻孔工程量 万 ，可节省钻孔施工费用 万元。（）瓦斯发电。工作面增加瓦斯抽采量 ，工作面抽出的瓦斯直接输送到地面瓦斯发电厂发电，年增加瓦斯抽采量约 万，增加瓦斯发电量 万 ，单价 元 ，可产生经济效益 万元。（）增加单产。通过该项目实施，工作面平均日产可由 增加至 。工作面平均日产增加 ，全年增产 万 ，增产耗时 ，即个月，按每月生产单位工资 万元计算，则节省耗时增加工资费用为 万元；月平均消耗材料费 万元，则节省材料费用 万元。共创效 万元。通过研究与实施，该项目共计产生经济效益 万元。结语研究掌握了工作面瓦斯的形成、运移、富集规律，形成了一整套多措并举的瓦斯综合治理技术体系。同时，在 回采工作面采用上、中、下“三位一体”瓦斯综合治理技术实施了工作面瓦斯交叉、立体、全方位抽采，取得了良好的效果，提高了矿井经济效益，保障了矿井的安全高效生产。参考文献（）：陶云奇，张帆，吴金刚，等 以孔代巷区域瓦斯抽采技术体系应用 煤矿安全，（）：，（）：高星 采煤工作面瓦斯抽采技术研究 能源与节能，（）：，（）：郝从猛 下向钻孔机械破煤造穴快速卸压增透机制及瓦斯抽采技术研究 徐州：中国矿业大学，李金洋 平顶山十矿瓦斯抽采工艺参数研究与应用 阜新：辽宁工程技术大学，祁云 基于 的平顶山矿区瓦斯抽采技术分类与数值模拟研究 阜新：辽宁工程技术大学，沈振 白坪煤矿二 煤层穿层钻孔瓦斯抽采技术研究 焦作：河南理工大学，朱志富 煤矿高位钻孔瓦斯抽采技术的应用探究 现代工业经济和信息化，（）：，（）：，韩文娟 低位抽放巷移动式瓦斯抽采技术及其效果分析 徐州：中国矿业大学，李晓辉 黄陵矿区瓦斯抽采技术优化及评价研究 西安：西安科技大学，秦永强，白东峰 顶板走向钻孔瓦斯抽采技术在下石节煤矿的应用 陕西煤炭，（）：，（）：王智超 煤矿井下瓦斯抽采技术 技术与市场，（）：，（）：，肖丽辉，李彦明，郭昆明，等 松软突出煤层全孔段下放筛管瓦斯抽采技术研究 煤炭科学技术，（）：，（）：张海庆 本煤层双套管高效瓦斯抽采技术及应用 煤炭科学技术，（）：，（）：刘佳 工作面瓦斯抽采技术研究 江西煤炭科技，（）：，（）：李晓绅，刘瑞鹏 含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采技术研究及应用 工矿自动化，（）：；，（）：