深井沿空留巷Y型通风首采关键卸压层工作面瓦斯治理.pdf

收稿日期2008- 10- 6 作者简介 叶 敏 1980- , 男, 安徽桐城人, 工程师, 安全技术及工程专业硕士, 现在淮南矿业集团公司顾桥矿从 事煤矿安全管理方面的工作。 深井沿空留巷 Y型通风首采关键卸压层 工作面瓦斯治理 叶 敏1, 程建圣 2 1淮南矿业集团公司 顾桥矿, 安徽 淮南232001 ;2煤炭科学研究总院 重庆研究院, 重庆400037 摘 要 针对深井沿空留巷 Y型通风首采关键卸压层工作面瓦斯治理问题, 在分析关键卸 压层工作面瓦斯卸压范围的基础上,确定不同的瓦斯抽采区, 并根据确定的瓦斯抽采区,选择采 前、采后的立体穿层钻孔抽采瓦斯及留巷侧采空区埋管抽采瓦斯的综合瓦斯治理技术, 较好地解 决了深井沿空留巷 Y型通风首采关键卸压层工作面瓦斯问题。 关键词 深井;沿空留巷;Y型通风;首采关键卸压层;瓦斯治理 中图分类号TD712 文献标识码B 文章编号1671- 0959 2009 04 005403 在煤层群赋存的突出矿井, 开采其关键卸压层是区域性 防突措施的首选和关键, 尤其是矿井进入深部开采后, 通过 优先开采关键卸压层获得足够的卸压煤量, 实现深部高突出 煤层低瓦斯状态下开采。淮南矿区是高瓦斯、高地压、低透 气性煤层群赋存的典型矿区, 在全面实施 可保尽保, 应抽 尽抽 的瓦斯综合治理理念的指引下, 确定了各个矿井的关 键卸压层, 并利用卸压层开采产生的卸压效果, 抽采被保护 层的卸压瓦斯, 但矿区进入深部开采后, 由于受到依托岩巷 工程的瓦斯治理技术对开采布局的制约作用越来越大、突出 威胁增加、软岩支护和采空侧小煤柱地压等问题困扰, 且采 用在浅部区域卸压层瓦斯治理技术不能很好地解决深井卸压 层工作面瓦斯问题, 为此, 淮南矿区创新性地对深井首采关 键卸压层采用无煤柱沿空留巷 Y型通风的煤气共采技术, 并 以此为基础形成了一整套的深井首采关键卸压层沿空留巷 Y 型通风工作面瓦斯治理技术。 1 深井首采关键卸压层工作面瓦斯治理技术基础 深井首采关键卸压层工作面的瓦斯主要来源于本煤层、 采空区和邻近层的卸压解吸瓦斯。由于进入深井后, 煤层 多为松软、透气性低状态, 施工顺层钻孔困难,抽采效果 很差。沿空留巷 Y 型通风方式,留巷处于采空侧, 为深井 首采关键卸压层抽采覆岩卸压瓦斯提供了必要和有利的条 件。根据首采关键卸压层开采的具体情况, 配合各种形式 的卸压瓦斯抽采技术, 能够抽采大量的卸压解吸瓦斯, 不 但能消除被保护卸压区域煤体的突出危险性,同时也能减 小首采关键卸压层和被保护层卸压煤层工作面回采的瓦斯 涌出, 保障了回采过程的安全、高效。 找到卸压煤层瓦斯运移的裂隙通道和瓦斯富集区是卸 压层工作面瓦斯治理技术的关键。首采关键卸压层开采后, 岩体中形成自由卸压空间, 破坏了原始岩体的应力平衡, 岩体受到应力的作用要向采空区方向移动, 发生冒落与下 沉、底鼓等现象, 如图 1所示。 图 1 首采关键卸压层采动影响卸压范围图 11 远程被卸压高瓦斯煤层抽采区的确定 当首采关键卸压层为远距离保护层时, 淮南矿区实践 表明, 首采关键卸压层开采后, 被保护煤层的透气性明显 增加 最大增加了 2880倍 , 煤层膨胀变形也较大 超过 6 。由于远程被卸压煤层距首采关键卸压煤层距离远, 当远程被卸压煤层与首采关键卸压层中间具有致密隔气性 较好的泥岩或其他岩石时, 远程煤层中的高压瓦斯不能通 过中间卸压层流入首采关键层的采动空间。因此, 远程卸 压煤层中的富含高压瓦斯储集在被保护煤层中, 但煤层的 透气性由于受到采动卸压而大幅度增加,被保护煤层的瓦 斯可抽性很好。由上可分析得, 在 Y 型通风留巷内向远程 被卸压煤层施工穿层钻孔抽采瓦斯, 把钻孔布置在远程被 54 生产经验 煤 炭 工 程 2009年第 4期 保护煤层的卸压区内, 能抽采到高浓度大流量的瓦斯, 同 时施工低位上向钻孔穿过致密性岩石, 抽采被阻隔的卸压 瓦斯, 达到治理瓦斯的目的。 12 Y型通风采空区瓦斯抽采区的确定 根据 Y型通风工作面的布置条件, 通过数值模拟或现 场实测, 掌握首采关键卸压层工作面采空区的瓦斯浓度分 布规律。实践证明, 在采空区瓦斯涌出强度一定和有效控 制采空区漏风的条件下,Y 型通风易于在采空区积存高浓 度瓦斯, 在工作面上部留巷采空区后部,距离工作面越远 瓦斯浓度越大, 数据显示, 在工作面后部 50m 处采空区瓦 斯浓度超 过 10 ,100m 处采空 区瓦 斯浓度 超过 20 , 300m处采空区瓦斯浓度达到了 60 。故在 Y 型通风条件 下, 留巷后部一定位置区域向采空区抽采瓦斯, 可以有效 治理瓦斯。 13 顶、底板瓦斯抽采区的确定 首采关键卸压层为下保护层时,随着关键卸压层工作 面的回采, 在卸压层顶板会形成一个楔形的裂隙充分发育 区。当卸压层和被卸压层间没有致密性岩层阻止上方煤层 高压瓦斯沿裂隙流向采空区时, 适当增加采场顶板富集区 留巷钻孔的抽采量,提高抽采瓦斯浓度,可以保证首采关 键卸压层工作面的瓦斯治理效果。 首采关键卸压层为上保护层时, 卸压煤层开采后, 被 卸压层透气性增加,采空区发生膨胀变形, 在采空区的底 板会形成一个底板膨胀裂隙区域, 由于瓦斯比较轻, 底板 裂隙发育区通常有竖向裂隙与采空区贯通, 在底板裂隙发 育区没有明显的瓦斯富集区,但若在卸压层和被卸压层之 间有致密性的岩层阻止下方煤层高压瓦斯上移, 可在确保 密封性的条件下, 施工下向钻孔, 抽采被卸压层瓦斯, 达 到治理瓦斯的效果。 14 首采关键卸压层工作面综合瓦斯治理技术 在确定 Y 型通风条件下的卸压层工作面的瓦斯富集区 域后, 需要选择一定的技术措施来治理瓦斯富集区的瓦斯, 根据 Y 型通风沿空留巷的特点,首采关键卸压层综合瓦斯 治理技术主要是选择在留巷内采用钻孔法抽采卸压层工作 面采前、采后的瓦斯富集区瓦斯, 在采空区留巷侧选择埋 管法抽采瓦斯。目前,主要采用的钻孔法抽采技术有 采 场顶、底板瓦斯富集区钻孔抽采技术, 基于留巷的上、下 向钻孔卸压抽采瓦斯技术和远程卸压煤层留巷钻孔抽采瓦 斯技术, 同时辅以在已有的其它巷道内施工钻孔抽采瓦斯 的技术等。 2 应用实例 淮南矿业集团新庄孜煤矿是典型煤层群赋存条件的突 出矿井, 具有保护层开采条件, 新庄孜矿回采 A、 B、C三 个煤组共 13 16个煤层, 可采煤层总厚度 32m, 煤层地层 倾角 18∀ 45∀ , 平均 24∀ 。可采煤层赋存情况如表 1所示。 从煤层赋存来看, 选择 B10和 B7a两个无突出危险煤层作为 突出卸压保护层, 但考虑到 B7a煤层距 B8和 B6煤层的层间 距太小, 先于 B8和 B6煤层回采不妥。因此, 选择 B10煤层 作为煤层群内的首采关键卸压层。 表 1 新庄孜矿可采煤层基本情况 序号煤层 煤层厚度 /m 最大最小平均 煤层间距 /m 最大最小平均 突出危险性 1 C13 1221616突出煤层 2 B11b 648033510083326452突出煤层 3 B10 20134028165268 4 B8 311084193512336462突出煤层 5 B7a 736078422819842 6 B6 57601361551129突出煤层 7 B4 811019324918288366突出煤层 矿井进入深部开采后, 关键卸压层工作面瓦斯治理工 作难以采用浅部的工作面瓦斯治理技术完成。因此新庄孜 矿试验采用了沿空留巷 Y 型通风条件下的关键卸压层瓦斯 治理技术,52210工作面是该矿深井沿空留巷 Y 型通风首 采关键卸压层工作面。 21 52210工作面概况 52210工作面位于 52采区, 地面标高 21m, 上限标 高为 - 556m, 下限标高为 - 612m。该块段回采的 B10煤层 直接保护具有强突的上覆 B11b煤层和下伏的 B8煤层,B10煤 层和 B11b煤层及 B8煤层的层间距分别平均为 28m 和 40m。 工作面走向长 600m, 倾斜长平均 125m, 面积 75000m2。工 作面绝对瓦斯涌出量 583m3/m in。走向长壁后退式综合机 械化采煤方法采煤。全部垮落法管理顶板。采用机巷和风 巷同时进风, 经过风巷留巷回风的 Y型通风方式, 工作面 供风量 1700m3/m in。 22 工作面瓦斯综合治理技术 卸压层开采的关键是对突出煤层瓦斯进行抽采消突。 根据 52210工作面 Y型通风沿空留巷的周围巷道布置特点, 采用立体穿层钻孔瓦斯抽采技术。52210立体抽采瓦斯钻孔 布置示意图如图 2所示。 221 采前穿层钻孔预抽瓦斯 1 采用上向穿层钻孔采前预抽 B11b煤层瓦斯,采前在 55 2009年第 4期 煤 炭 工 程 生产经验 图 2 52210立体抽采瓦斯钻孔布置剖面图 52210机巷下帮每隔 20m布置一个钻场, 每个钻场内布置 7 个穿层钻孔, 钻孔穿过 B11b煤层顶板, 预抽 B11b煤层下段原 始瓦斯, 抽采卸压层回采期间采动卸压瓦斯, 同时在风巷 下帮每隔 20m布置一个钻场, 每个钻场内布置 3个穿层钻 孔, 先预抽 B11b煤层上段原始瓦斯, 后抽采卸压层回采期 间的采动卸压瓦斯。 2 采用下向穿层钻孔预抽 B8煤层瓦斯,采前在风巷 下帮每隔 10m布置一个钻场, 每个钻场内布置 5个穿层钻 孔, 钻孔穿过 B8煤层底板, 采前预抽 B8煤层原始瓦斯, 采后抽采卸压层回采期间采动卸压瓦斯;同时根据已有的 巷道系统, 在 52210轨道巷内, 每隔 10m 布置一个钻场, 每个钻场布置 4个钻孔, 向 B8煤层施工近水平下向穿层钻 孔, 先预抽 B8煤层原始瓦斯, 后抽采卸压层回采期间的采 动卸压瓦斯。 222 采空区埋管抽采瓦斯 留巷施工过程中, 在充填体内每隔 10m预留一不少于 150mm 的抽采管道。抽采管道穿过留巷充填体, 伸入采 空区的长度不少于 15m, 前端 1m管壁布置 10mm的进气 花孔。通过三通和连接管接入风巷内 300mm 的抽采管道 上。通过控制采空区抽采管道口的数量和开启程度可控制 采空区瓦斯抽采量和抽采瓦斯浓度, 从而改变采空区瓦斯 流动和瓦斯浓度场分布, 控制采空区瓦斯涌出。 223 采后大直径穿层钻孔抽采卸压瓦斯 工作面回采后, 利用 Y 型通风的沿空留巷段, 施工穿 层钻孔抽采采动卸压瓦斯。 1 在 52210工作面留巷内, 沿采空区侧滞后一个周期 来压步距 约 20 30m施工倾向上向穿层抽采瓦斯钻孔。 钻孔直径为 113mm, 孔底间距 15 20m, 孔口封孔长度在 法向上要大于采动规则冒落带的高度, 设计的倾向钻孔套 管的长度为 15m, 封孔深度不小于 12m,确保了倾向抽采 瓦斯钻孔的完整性不因顶板周期来压覆岩冒落而破坏, 抽 采瓦斯浓度高、纯量大。 2 在 52210工作面留巷内, 沿采空区侧滞后 40 50m 施工倾向下向穿层抽采瓦斯钻孔, 使用 KQ J120潜孔大功率 压风钻机施工, 每隔 10m 布置一个钻场, 每个钻场布置 3 个钻孔,钻孔直径为 113mm, 孔底间距 10 12m, 孔深 50 70m。这些下向钻孔穿过 B8煤层底板, 抽采 B8煤层采 动卸压瓦斯和 B8煤层底板裂隙圈积聚的游离瓦斯。 23 综合瓦斯治理效果 通过采取立体穿层钻孔抽采瓦斯及留巷侧采空区埋管 抽采瓦斯的综合瓦斯治理技术,52210工作面在回采过程 中, 留巷段回风中瓦斯浓度在 08 以下, 上隅角瓦斯浓度 在 1 以下,52210轨道巷内的倾向穿层钻孔瓦斯抽采量 85 340m3/m in之间, 平均为 150m3/min ; 机巷上向穿 层钻孔抽采量在 35 60m3/m in之间, 平均为 45m3/m in; 52210轨道巷穿层钻孔抽采量在 25 65m3/m in之间, 平 均为 50m3/m in ; 控制范围内煤体的瓦斯抽放率超过 70 。 尽管 52210工作面采空区埋管抽采瓦斯的浓度 10 左右, 但由于埋管抽采瓦斯的混合量大 120 150m3/m in, 最大达 250m3/min, 改变了采空区流场结构,有效解决了工作面 上隅角瓦斯积聚问题。通过实施上述瓦斯治理措施, 保证 了 52210工作面顺利开采, 同时由于对上覆 B11b煤层和下伏 的 B8煤层的卸压瓦斯抽放, 不仅大幅度地减少上邻近层的 瓦斯涌出、增加回收瓦斯资源, 而且可以创造上覆 B11b煤 层和下伏 B8煤层安全高效的开采条件。总之, 利用沿空留 巷 Y 型通风的条件, 采用采前、采后的综合立体穿层钻孔 抽采瓦斯及留巷侧采空区埋管抽采瓦斯的综合瓦斯治理技 术措施, 确保了 52210工作面的回采安全。 另外, 采用沿空留巷 Y型通风的瓦斯综合治理技术极 大地改善了 52210工作面的通风环境,增强了回采工作面 的抗灾能力, 加强了上隅角瓦斯管理和防火管理, 更加全 面地确保了工作面的安全高效回采。 3 结 语 采用立体穿层钻孔抽采瓦斯及留巷侧采空区埋管抽采 瓦斯的综合瓦斯治理技术, 能解决深井沿空留巷 Y型通风 首采关键卸压层工作面瓦斯治理问题, 即利用上、下风巷 对被保护层煤层施工穿层钻孔进行采前预抽和回采期间的 卸压瓦斯抽采, 利用留巷对采后被保护层施工大直径抽采 穿层钻孔抽采卸压瓦斯, 在采空区沿空留巷侧埋管抽采采 空区瓦斯。实践证明, 这套技术能够解决深井首采关键卸 压层工作面瓦斯, 且瓦斯综合治理效果良好, 可以在具备 条件的矿井推广应用。 参考文献 [ 1] 张国枢. 通风安全学[M ]. 徐州 中国矿业大学出版社, 2000 . 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