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瓦斯突出问题预测与防治工艺探究

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  摘 要:本文结合玉溪煤矿开采过程中瓦斯突出实际问题,首先对玉溪煤矿煤与瓦斯突出危险性加以评价,结合实际情况进行了工作面消突及抽采设计,通过消突作业,确保了作业面煤层瓦斯含量达到安全开采要求,为作业面安全开采作业提供了可靠的保障。
  关键词:煤矿;瓦斯突出;消突
  1 煤矿简介
  玉溪井田位于山西省南部、樊庄普查区的东南部,区内地形总体为北高南低,沟谷纵横,地形起伏较大,相对高差464m。区内地层产状平缓,仅有方向单一为数不多的宽缓褶皱。由于区内无断裂破碎带,构造裂隙不发育,各含水层垂向水力联系很小,导致地表泉水出露较多,而深部各含水层涌水量很小。浅层地下水分布于向斜轴部并以泉的形式排泄。除陷落柱附近对煤层、煤质及开采技术条件有所影响外,其余影响不大。区内构造属简单类型。煤层主要分布于山西组(P1S)、太原组(C3t)。可采煤层为3号煤层和15号煤层,目前主要开采3号煤层,此次研究也是针对3号煤层瓦斯突出问题进行研究。可采煤层特征表如表1所示。
  2012年3月,河南理工大学根据实际揭露3号煤层的情况,对瓦斯含量做进一步的鉴定,经过鉴定,瓦斯含量大于20m3/t,压力大于0.74MPa,3号煤层存在瓦斯突出危险。井田内地质构造以背、向斜为主,这些构造的产生对瓦斯含量的分布有一定的影响。从3号煤层甲烷含量等值线数据可以看出,靠近背斜轴部瓦斯含量较低,而位于背斜、向斜翼部瓦斯含量较高。
  2 煤与瓦斯突出危险性评价
  2014年玉溪煤矿有限责任公司委托河南理工大学对3号煤层的瓦斯含量进行预测,根据预测结果矿井瓦斯等级划分为高瓦斯矿井,故原矿井初步设计及瓦斯抽放初步设计均按高瓦斯矿井进行设计并获批复。其后河南理工大学利用主斜井、副斜井和回风立井井筒检查孔施工采集到的煤样,实测了3号煤层原始瓦斯含量、瓦斯吸附常数以及孔隙率相关参数数据,通过实地测量之后得出了,3号煤层在主斜井区域、副斜井区域以及回风立井区域中对应的原始瓦斯含量最大值是25.6m3/t、20.0m3/t以及18.53m3/t,其最大原始压力分别为2.90MPa、2.79MPa和1.76MPa;2017年,随着进、回风立井的相继揭露3号煤层,河南理工大学根据实际测量所得到的3号煤层原始瓦斯含量数据信息,同时参照钻孔检测对应相关参数信息,得出了3号煤层之中的瓦斯气体含量处于16.7m3/t至18.4m3/t之间,而且检测得出瓦斯压力值在1.2MPa至1.4MPa范围之内,远超出了标准规定的0.74MPa标准,而且瓦斯气体对应的放散速率值△P在25至28之间,也远超出了标准规定的10标准,测试点煤的坚固性系数f在0.45~1.09之间,符合《防治煤与瓦斯突出規定》确定的指标,故3号煤层定为突出煤层。结合上述分析结果最终得出玉溪煤矿为煤与瓦斯突出矿井。玉溪煤矿3号煤层瓦斯基本参数如表2所示。
  3 工作面消突及抽采设计
  玉溪矿井3号煤层为突出煤层,在进行回采作业面采煤作业之前,要求应当首先需要完成消突工作,确保进行作业面开采作业的过程中,作业范围之中对应的煤层瓦斯含量值要低于煤层始突深度对应的瓦斯含量值,亦或是作业范围之中对应的煤层瓦斯压力值减小低于煤层始突深度对应的瓦斯压力值,也就是要求在进行实际开采作业之前,煤层之中对应的瓦斯气体压力值应当不超过0.74MPa,煤层之中对应的瓦斯气体含量值应当不超过8m3/t。回采工作面日产量7364t,采前煤层可解析瓦斯含量应≤5m3/t。寺河西区采用千米钻机模块化抽采时间需达33个月,造成矿井投产时间长,资金压力大。经综合比较,对首采工作面采用在煤层底板中布置底抽巷道的方式先对顺槽掘进区域进行消突后掘进顺槽,再在顺槽掘进过程中打密集钻孔进行工作面消突及预抽。打密集钻孔方式井巷及钻孔工程量大,经济投资高,但可以弥补首采面预抽时间。对于准备工作面,因首采面服务年限约1.5a,采用打密集钻的方式在1.5a年内即可抽采达标,故通过增加钻孔方式缩短抽采时间,满足抽、采、掘衔接。
  3.1 首采面及准备面设计
  根据本井田内回采工作面瓦斯涌出特点、涌出量和临近矿井瓦斯抽采经验,为达到充分预抽,早日使得矿井投产,在此次防突设计过程中,所应用到的方法为顺层钻孔防突瓦斯抽采方法,针对回采作业范围之内的煤层瓦斯气体开展抽采作业。在采用此种瓦斯气体抽采方式的情况下,根据需要采用打密集钻孔,为使钻孔抽放效果好,密集钻孔交叉布置。通过采前消突预抽、边采边抽和采空区抽放相结合的综合抽采方法来解决瓦斯问题。通过应用顺层瓦斯抽采工艺方案可以确保钻孔所拥有的导通性进一步提升,在瓦斯抽放作业逐步开展的过程中,其中瓦斯气体对应压力同样也会相应减小,使得煤层结构之中对应的应力将再次分布,也会使得一些新裂隙出现,这样交叉钻孔过程中新的裂隙极易使得邻近钻孔之间形成联通,这样更加有利于瓦斯气体的抽放作业。考虑玉溪矿井煤层瓦斯含量高、设计工作面能力大等特点,设计在首采面及准备面的进风顺槽中同时打交叉钻孔的方式,通过加大钻孔密度、扩大工作面抽放范围的方式,提高工作面瓦斯抽出率,保证矿井的安全生产。
  首采及准备工作面长200m,平均采高5.71m,顺层交叉钻孔抽放法中钻孔间距取2.0~2.5m,钻孔深度值设定为180m至190m范围内。在进行钻孔倾角进行设计的过程中,要结合具体开采区域内煤层倾斜角度的改变情况和煤层结构对应的厚度值加以实时调整,通常要求钻孔对应的末端部位应当和煤层顶板结构之间距离值在0.5m。另外,还需要结合实践抽采情况,对经验进一步归纳分析,根据实际情况可调整钻孔间距、钻孔深度及钻孔角度。
  钻孔密封是瓦斯抽放工艺的重要环节,只有确保了密封效果良好,才能够取得更好的抽采效果。要求在进行密封处理的过程中,密封的深度值应当大于钻孔口位置处裂隙带对应深度值大小,通常在岩体钻孔封孔深度值在2m至3m之间,对于煤壁钻孔情况,通常封孔深度值在7m至10m之间。首采工作面抽采钻孔布置示意图见1。   3.2 千米钻机模块化预抽设计
  根据开拓布置每个回采工作面服务年限约1.5a,首采工作面采用顺层密集交叉钻孔抽采后,这为其他接替工作面的预抽赢得了充足时间和空间。可以充分利用回采面及准备面的下顺槽布置钻场,对临近的煤体進行预抽。参考临近寺河矿抽采经验,用千米钻机顺层钻孔进行模块化超前抽采具有抽采效果好,操作方便,千米钻机顺层钻孔模块化抽采布置方式见图2所示。
  采用千米钻机顺层钻孔模块化抽采方法针对所需进行瓦斯抽采相应范围开展抽采作业,确保煤层之中所残余瓦斯气体对应含量值减小到8m3/t之下,为防止局部区域消突不彻底,同时保证在回采前煤体可解吸瓦斯含量不超过5m3/t,设计在预抽单元充分预抽煤体消突后掘进下一顺槽的同时,对已预抽煤体进行强化预抽,从而实现安全开采。为保证强化抽采效果,强化抽采钻孔布置应与千米钻机模块化抽采钻孔互相不干扰,钻孔立面不交叉,即开、终孔位置均不在同一平面上。考虑模块化抽采预抽作业时间长,预抽相对充分,强化抽采时采用顺层打平行钻孔的方法进行本煤层瓦斯抽采,从而解决局部消突不彻底的问题。根据抽放经验,强化抽采时顺层钻孔间距一般取10m,在工作面头部适当加密以缩短强化抽采时间。瓦斯抽放钻孔长度取180m。对于钻孔的角度,为不与模块化抽采钻孔贯通,可自煤层上部向煤层底板方向打平行钻孔,钻孔的末端落在距离煤层底板0.5m左右。
  4 结语
  从抽采实践来看,采用千米钻机模块化抽采,可以解决普通顺层钻孔成孔及准确定位问题,并通过千米钻机探顶、底板,也利于提前发现地质构造,可以穿透煤层层理。模块化抽采不仅对预抽工作面进行抽采,并连同工作面的下顺槽区域一并抽采。在进行回采作业面采煤作业之前,要首先完成了消突工作,确保进行作业面开采作业的过程中,作业范围之中对应的煤层瓦斯含量值要低于煤层始突深度对应的瓦斯含量值,亦或是作业范围之中对应的煤层瓦斯压力值减小低于煤层始突深度对应的瓦斯压力值,也就是要求在进行实际开采作业之前,煤层之中对应的瓦斯气体压力值应当不超过0.74MPa,煤层之中对应的瓦斯气体含量值应当不超过8m3/t,即满足消突要求同时又满足了《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》要求,确保了工作面实现安全开采的目标。
  参考文献:
  [1]李江朋.煤矿瓦斯综合抽采技术及应用[J].能源与节能,2018(11):177-179.
  [2]魏亚飞.西马煤矿瓦斯突出治理研究[J].中国煤层气,2018(05):36-39.
  [3]王涛.煤矿瓦斯抽采技术的发展及工程应用[J].矿业装备,2018(05):62-63.
  作者简介:
  郭振海(1973- ),男,晋城市泽州县南村派出所,2011年6月毕业于黑龙江科技学院采矿专业,本科,采矿助理工程师,煤矿采掘。
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