低瓦斯矿井工作面上隅角瓦斯抽采技术与实践

杨小兵

(霍州煤电集团丰峪煤业有限责任公司,山西 霍州 031400)

由于工作面的上隅角离煤壁和采空区比较近,风流速度会相对较低,从而会形成涡流状态,当采空区瓦斯运移到工作面上隅角时,瓦斯会在上隅角形成旋转的状态,形成高浓度瓦斯[1]。针对上隅角瓦斯超限问题许多学者对其进行了研究。王克武等通过采用加大风量法、风机抽采法、正压稀释法、总排负压抽采法和改进总排负压抽采等方法,使上隅角瓦斯体积分数由正常通风时的1.6%下降到0.4%[2]。武海林采用在上方工作面(备采)运输顺槽向本工作面采空区施工抽放钻孔,解决隅角瓦斯[3]。李梅东等采用临时风帘法、高压风流引射器法,采用移动瓦斯泵抽采法,解决了工作面上隅角瓦斯超限的问题[4]。李文明对采煤工作面细化通风管理并采用上隅角埋管或插管抽放,有效解决了采煤工作面上隅瓦斯超限问题[5]。许双泉在综采工作面回采时通过在上隅角挂风障和进风量调节等方式,降低矿井局部瓦斯集聚[6]。

综上所述,上隅角瓦斯治理问题是很突出的,尤其是在低瓦斯矿井的上隅角瓦斯问题很容易被忽略,从而给矿井的安全生产和工人的人身安全造成了很大的威胁,严重地制约了矿井的安全高效生产。因此,本文以低瓦斯矿井为研究对象,提出了一种在低瓦斯矿井工作面上隅角瓦斯超限的治理方法。

1 工程背景及概况

某矿为兼并重组整合低瓦斯矿井,许可生产能力1.5 Mt/a,目前采用斜井开拓,以主斜井、副斜井、回风立井、后期回风立井四个井筒开拓全井田。采用综采一次采全高采煤工艺,“U”型通风,上隅角瓦斯经常达到临界状态,严重威胁着矿井的安全生产。

1.1 工作面概况

矿井现开采11号煤层三采区11303工作面,根据矿方实测,11303工作面6月回风隅角瓦斯浓度为0.52%～1.76%,平均浓度1.05%,上隅角靠采空区里1 m处瓦斯浓度在1.2%～3.86%,平均浓度1.94%。回采工作面瓦斯上隅角超限问题有待解决。

1.2 工作面瓦斯来源

根据矿井瓦斯涌出量预测结果,瓦斯涌出主要来自于本煤层,其中本煤层瓦斯涌出量占总瓦斯涌出量的68%,邻近层瓦斯涌出量占总瓦斯涌出量的32%。回风上隅角瓦斯涌出量主要来源于采空区,采空区瓦斯积聚点主要分布在顶板3～5倍采空范围内的裂隙带中。

2 瓦斯抽采方法选择

根据煤层赋存条件、瓦斯涌出构成和巷道布置形式,目前解决上隅角超限的抽采方法主要有:高抽巷瓦斯抽采、高位钻孔瓦斯抽采、采空区埋管瓦斯抽采、骨架风筒瓦斯抽采。其中,高抽巷瓦斯抽采需在顶板裂隙带内布置一条巷道,掘进工程量大,投资大,经济效益较差。

2.1 采空区埋管瓦斯抽采

在回风顺槽内敷设抽采管,管路每隔30 m串接一个具有组合阀门的三通管件支管作为抽采采空区瓦斯的吸气口,每隔一定距离安设阀门。支管采用Φ108 mm螺旋焊接钢管。当抽采支管进入采空区15 m左右时,打开组合阀门,抽采采空区瓦斯,埋管瓦斯抽采管路布置见图1。

图1 采空区埋管瓦斯抽采管路布置图

2.2 架设骨架风筒

在工作面回风顺槽内敷设瓦斯抽采主管路,敷设至距工作面切眼6 m处,接Φ400 mm骨架风筒。顺槽管路与骨架风筒连接处设组合阀门与筛板,待骨架风筒进入采空区300 mm时,打开阀门进行瓦斯抽采,架设骨架风筒布置见图2。

图2 架设骨架风筒布置图

2.3 高位钻孔瓦斯抽采

在回风顺槽施工钻孔对工作面裂隙带瓦斯进行抽采,采空区裂隙带高度根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中公式计算。

跨落带:

导水裂缝带:

或

式中：Hm为跨落带高度，m;Hli为导水裂隙带高度，m；M为煤层厚度，m。

11号煤层平均厚度为2.96 m。经计算,11号开采后垮落带高度为4.15 m～8.55 m,导水裂隙带高度最大为44.41 m或32.69 m。

在工作面回风巷,沿回风巷走向每隔70 m处开掘硐室作为钻场,每个钻场布置10个钻孔。由钻场向采空区裂隙带施工抽放钻孔,对采空区裂隙带进行抽放,终孔高度控制在工作面采高的3～5倍,距煤层底板9.8 m～14.8 m。抽放控制区域为回采工作面靠上隅角一侧采空区10 m～35 m范围。每个钻场每个钻孔具体方位与角度、孔深、终孔高度、间距如表2所示,钻场布置示意见图3。

表1 钻场钻孔布置参数表

图3 高位钻孔瓦斯抽采钻场布置示意图

钻孔与抽采瓦斯管连接时,设置孔板流量计、气压计、观测嘴、阀门及放水器。封孔装置与抽采管路之间用柔性铠装胶管连接,便于连接装置的拆装。其中开采层瓦斯抽采时,每五个钻孔共用一个集气装置。钻孔与抽采瓦斯管连接见图4。

图4 高位钻孔与抽采瓦斯管连接图

3 结论

综上所述,在井下由于工作区偏远,无法实现有效抽采,或者在低瓦斯矿井中出现上隅角瓦斯涌出量较高的情况,都可利用移动泵站进行接力抽采。

移动泵站抽采中骨架风筒抽采瓦斯与采空区埋管抽采瓦斯工艺简单、施工容易、管理方便、设备投资少,但是两种方案抽采效果较差,无法从根本上治理工作面上隅角瓦斯。高位钻孔抽取瓦斯效果好,并且可以针对性的抽取本煤层瓦斯,投资小,见效快,具有较好的安全与经济效益。因此,低瓦斯矿井采用移动式瓦斯抽采系统高位钻孔抽采瓦斯可以有效解决工作面上隅角瓦斯超限问题。