特厚煤層綜放開采瓦斯治理技術(shù)研究

特厚煤層綜放開采瓦斯治理技術(shù)研究

目前，煤礦開采技術(shù)主要包括通風(fēng)和采礦兩大技術(shù)手段。對于高效化、高效化的綜合開采來說，由于絕對磚瓦源的巨大數(shù)量，單一的磚瓦管理技術(shù)很難解決高差達(dá)2。為此,國內(nèi)外研究人員對綜放工作面瓦斯治理手段進(jìn)行了探索,形成了“Y”型通風(fēng)、“U+I”型通風(fēng)、“U+L”型通風(fēng)、“W”型通風(fēng)、本煤層預(yù)抽、采空區(qū)抽放、高位鉆孔抽放及高位巷抽放等多種技術(shù)手段。如何根據(jù)礦井開采地質(zhì)條件,對上述瓦斯治理技術(shù)手段進(jìn)行最佳組合,并采取一定的輔助性技術(shù)措施,使得綜放工作面的瓦斯治理工作既能保障礦井安全生產(chǎn),又能最大限度的降低生產(chǎn)成本,對于綜放工作面真正實現(xiàn)高產(chǎn)高效有著重要意義。為此,以開灤某工作面為例,對綜放工作面的瓦斯綜合治理模式進(jìn)行研究。1工作面瓦斯溢出量主要源開灤某礦是高瓦斯礦井,主采煤層厚度為5.67~6.50m,某工作面傾斜長240m,走向長1011m;采用走向長壁綜合機(jī)械化放頂煤開采,頂板管理方法為全面冒落法管理頂板。上部煤層和下部煤層都比較薄,厚度只有0.3m左右,因此,工作面瓦斯涌出量主要來自開采層。該工作面的煤層瓦斯含量為15.87m3/t,絕對瓦斯涌出量為40~50m3/min,因此,在采空區(qū)內(nèi)積存有大量高濃度瓦斯,給礦井安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。2為應(yīng)對群體噪聲2.1采空區(qū)內(nèi)部瓦斯治理方式對比國內(nèi)外生產(chǎn)實踐表明,在“U”型通風(fēng)方式下,工作面上隅角瓦斯容易積聚,通過改變工作面的通風(fēng)方式可以改變采空區(qū)內(nèi)的氣體流場,并最終有效減少上隅角瓦斯涌出量。目前,用于防治工作面上隅角瓦斯積聚的通風(fēng)方式主要有“Y”型通風(fēng)、“U+I”型通風(fēng)和“U+L”型通風(fēng);其中,“Y”型通風(fēng)需要沿空留巷,采礦工藝比較復(fù)雜。與“U+I”型通風(fēng)方式相比較,在“U+L”型通風(fēng)方式下,瓦斯排放巷能帶走采空區(qū)深部瓦斯,從而降低采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛?特別是可以減少周期來壓期間的瓦斯涌出濃度。因此,綜放工作面利用“U+L”型通風(fēng)方式治理瓦斯問題,在效果上明顯好于“U+I”型通風(fēng);而且,在瓦斯管理和通風(fēng)安全上更優(yōu)于“U+I”型通風(fēng)。該工作面屬高強(qiáng)度機(jī)械化開采,瓦斯涌出量大,嚴(yán)重制約著工作面生產(chǎn)能力的正常發(fā)揮,只有充分發(fā)揮瓦斯排放巷排放采空區(qū)瓦斯的作用,才能保證高瓦斯工作面的安全生產(chǎn)。因此,綜合考慮該煤層的地質(zhì)條件及上述通風(fēng)方式的優(yōu)缺點,工作面通風(fēng)方式應(yīng)采用“U+L”型通風(fēng)。2.2瓦斯抽放高度鉆孔如果采空區(qū)瓦斯涌出量較大,僅僅采用通風(fēng)或上隅角埋管抽放難以解決瓦斯超限問題時,高位鉆孔抽放(又稱鉆場抽放)是一種不錯的選擇。高位鉆孔抽放包括走向高位鉆孔和傾向高位鉆孔。該方法利用采動壓力形成的裂隙作為通道來抽放鄰近層和本煤層釋放的瓦斯,進(jìn)而改變采空區(qū)氣體流場分布,從根本上解決上隅角瓦斯積聚和回風(fēng)流瓦斯超限。在“U+L”型通風(fēng)方式下,工作面回風(fēng)巷外側(cè)額外增加了1條專用瓦斯排放巷,可以從該巷道沿傾斜方向向采空區(qū)上方裂隙帶內(nèi)施工穿層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放,即為傾向高位鉆孔。由于傾向高位鉆孔施工相對簡單,不用開掘抽放鉆場,因此,該工作面瓦斯抽采選擇傾向高位鉆孔。根據(jù)經(jīng)典的采空區(qū)上覆巖體“三帶”理論,瓦斯抽放的具體施工設(shè)計如下:在2個聯(lián)絡(luò)巷之間(約50m)均勻布置4個鉆孔,鉆孔直接94mm,孔長120m,垂直煤壁,仰角14°。2.3加強(qiáng)工作面支護(hù),完善瓦斯排放巷回風(fēng)1)采用雙切眼布置。在“U+L”型通風(fēng)條件下,采空區(qū)部分高濃度瓦斯(可能超過2.5%)通過聯(lián)絡(luò)巷涌向?qū)Ｓ猛咚古欧畔?該部分瓦斯需要采取措施稀釋到許可范圍內(nèi)。山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司屯蘭礦曾采用引入局部通風(fēng)的方式對流入瓦斯排放巷的瓦斯進(jìn)行稀釋,但是,最終釀成特別重大瓦斯爆炸事故。因此,稀釋該部分瓦斯,需要引入全風(fēng)壓通風(fēng)。該工作面采用雙切艱布置方案,第一切眼留設(shè)在工作面后部,該切眼與瓦斯排放巷相通,第二切眼與回風(fēng)巷相通。瓦斯排放巷除了可以利用聯(lián)絡(luò)巷通風(fēng)外,還可利用第一切眼通過全負(fù)壓給瓦斯排放巷配風(fēng);從而,大大提高瓦斯排放巷的配風(fēng)量,有效稀釋瓦斯?jié)舛?確保工作面安全生產(chǎn)。2)加強(qiáng)巷道支護(hù)。隨著采煤工作面推進(jìn),后方的采空區(qū)面積隨之增大,導(dǎo)致進(jìn)入采空區(qū)的頂板垮落,造成采空區(qū)有效漏風(fēng)斷面降低,改變上隅角漏風(fēng)方向及風(fēng)量,進(jìn)而引起回風(fēng)巷回風(fēng)流瓦斯?jié)舛壬摺Ｒ虼?瓦斯排放巷通風(fēng)首先要解決好瓦斯排放巷和上隅角采空區(qū)的支護(hù)問題。該工作面加強(qiáng)上隅角采空區(qū)支護(hù)的方法如下:每隔3~4m打1個方形木垛,增大漏風(fēng)空間,在瓦斯排放巷側(cè)的聯(lián)絡(luò)巷口里外各打1個方形木垛,加強(qiáng)對尾巷的支護(hù),確保上隅角乏風(fēng)能夠順暢的通過采空區(qū)后方聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)入尾巷。3)加強(qiáng)聯(lián)絡(luò)巷管理。工作面回采前,最里面的聯(lián)絡(luò)巷不封閉,其余所有的聯(lián)絡(luò)全部用薄木板進(jìn)行嚴(yán)密封堵,并且四周抹黃泥防止漏風(fēng)。隨著采面的推進(jìn),聯(lián)絡(luò)巷相繼進(jìn)入采空區(qū),待進(jìn)入采空區(qū)1~3m后,可以打開,并關(guān)閉前1個聯(lián)絡(luò)巷。4)風(fēng)量調(diào)控。在回風(fēng)巷回風(fēng)與瓦斯排放巷回風(fēng)混合之前選點打2道調(diào)節(jié)風(fēng)門,根據(jù)回風(fēng)巷和瓦斯排放巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛炔捎迷鲎璺ㄕ{(diào)節(jié)瓦斯排放巷與回風(fēng)巷風(fēng)量,把這2條巷道的回風(fēng)瓦斯?jié)舛瓤刂圃谝?guī)定的范圍內(nèi)。綜上所述,該工作面的最終瓦斯綜合治理模式為:在“U+L”型通風(fēng)方式的基礎(chǔ)上,增設(shè)1個切眼和傾向高位瓦斯抽采鉆孔,并采取措施調(diào)節(jié)回風(fēng)巷和瓦斯排放巷的風(fēng)量,如圖1。3工作面瓦斯溢出模擬為掌握該瓦斯綜合治理模式下的采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律及其有效性,運用FLUENT軟件對該回采工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紶顩r進(jìn)行數(shù)值模擬。一般來說,采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)為漏風(fēng)源、回風(fēng)巷側(cè)為漏風(fēng)匯,沿工作面煤壁瓦斯涌出很少;因此,假定采空區(qū)內(nèi)沒有熱源、溫度均勻,且滲透性在各方向上相同,采空區(qū)除了上下隅角、抽放鉆孔、瓦斯巷與回風(fēng)巷的聯(lián)絡(luò)巷道外沒有其他出口;假定采空區(qū)底板有瓦斯涌出,涌出速度0.0076m3/s(根據(jù)該工作面瓦斯涌出情況計算得到)。模擬結(jié)果如圖2、圖3,x軸代表煤層走向,y軸代表煤層傾向,z軸代表與煤層底板垂直方向。由圖2可以看出,2個高度瓦斯?jié)舛确植稼厔莼疽恢?在進(jìn)風(fēng)側(cè)靠近工作面的采空區(qū)區(qū)域,由于漏入的是新鮮風(fēng)流,將沿程瓦斯稀釋并帶走,所以該區(qū)域瓦斯?jié)舛群苄?由于瓦斯排放巷和抽放鉆孔的存在,誘導(dǎo)含有瓦斯的風(fēng)流通過這2個位置流出,阻止了采空區(qū)深部瓦斯向上隅角涌入,在很大程度上減小了采空區(qū)內(nèi)部及工作面上隅角的瓦斯?jié)舛?從而解決了上隅角瓦斯局部積聚的難題。而且,輔助切眼通入的風(fēng)流有效稀釋了瓦斯排放巷中的瓦斯?jié)舛?使其達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn),為安全生產(chǎn)提供了保障。由圖3可以看出,隨著工作面推進(jìn),采空區(qū)的范圍增大,在靠近切眼側(cè)采空區(qū)煤巖壓實程度較弱,孔隙率較大,空氣風(fēng)流速度也較大,瓦斯?jié)舛纫草^低,隨著采空區(qū)距離切眼距離增大,瓦斯?jié)舛瘸试龃筅厔?。但?當(dāng)工作面風(fēng)量、抽放量較大,對于上隅角瓦斯積聚的問題具有更好的緩解作用,同時也會使工作面新鮮風(fēng)流大量漏入采空區(qū);而且在采空區(qū)存在漏風(fēng)源的條件下,較大的風(fēng)量和抽放量勢必造成瓦斯等有毒有害氣體的涌入;對于易自燃煤層則會成為采空區(qū)自燃的重大隱患。因此,在具體實施過程中宜因地制宜,根據(jù)實際情況謹(jǐn)慎操作。4采空區(qū)瓦斯治理該工作面應(yīng)用上述瓦斯綜合治理模式開展了瓦斯防治工作,在該工作面開采期間,收集了各巷道的瓦斯?jié)舛扰c風(fēng)量及高位鉆孔瓦斯抽放的濃度與流量,因篇幅有限,現(xiàn)選取其中一部分?jǐn)?shù)據(jù),并繪制出相應(yīng)的變化曲線圖,如圖4。圖4中,回風(fēng)巷、瓦斯排放巷瓦斯?jié)舛茸兓€采用的是主坐標(biāo)軸,高位鉆孔及工作面瓦斯涌出量變化曲線采用的是次坐標(biāo)軸。由圖4可知,這4條曲線的變化趨勢基本一致,回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛仍?.2%~0.4%,小于臨界值1%;瓦斯排放巷的瓦斯?jié)舛然驹?.5%~1.9%,小于2.5%;基本解決了工作面瓦斯超限問題。高位鉆孔瓦斯抽放濃度基本穩(wěn)定在25%~30%,大大降低了采空區(qū)高濃度瓦斯涌向回風(fēng)巷和瓦斯排放巷的數(shù)量,有效緩解了這2條巷道的瓦斯防治壓力。該工作面的瓦斯涌出量在40~50m3/min,與生產(chǎn)前的預(yù)測結(jié)果基本一致,工作面周期來壓對瓦斯涌出量影響較大,在來壓期間,瓦斯涌出量明顯上升。5采空區(qū)表面瓦斯沉積的安全隱患1)該工作面的最終瓦斯綜合治理模式為:在“U+L”型通風(fēng)方式的基礎(chǔ)上,增設(shè)一個切眼和傾向高位瓦斯抽采鉆孔,并采取措施調(diào)節(jié)回風(fēng)巷和瓦斯排放巷的風(fēng)量。2)數(shù)值模擬結(jié)果表明,由于瓦斯排放巷和抽放鉆孔的存在,誘導(dǎo)含有瓦斯的風(fēng)流通過瓦斯排放巷和抽放鉆孔流出,阻止了采