低透气性单一煤层采煤工作面瓦斯防治措施

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net低透气性单一煤层采煤工作面瓦斯防治措施王　泰(北京工业职业技术学院,北京100042)[摘　要]　根据对我国煤炭赋存情况的分析,经研究认为通过改变通风方式、提高煤层的透气性以及改变抽放方式和抽放工艺可以达到低透气性、难抽放单一煤层采煤工作面瓦斯防治目的。[关键词]　低透气性;抽放;瓦斯防治[中图分类号]TD712 [文献标识码]B [文章编号]100626225(2004)0220070203Gas2preventionmeasuresincoalfaceofsingleseamwithlowairpermeability

[收稿日期]2004-03-05[作者简介]王　泰(1970-),男,山西怀仁县人,1993年毕业于中国矿业大学通风与安全专业,讲师。 根据煤层透气性系数,可将煤层分为:容易抽放(>10m2/(MPa2・d))、可以抽放(10～011m2/(MPa2・d))、较难抽放(<011m2/(MPa2・d))3种。我国含煤地层一般都经历了成煤后的强烈构造运动,煤层内原生裂隙遭到破坏,塑变性大大增强,成为低透气性的高延性结构,其透气性比美国和澳大利亚低2～3个数量级,使得我国多数矿井抽放效果差。因此,低透气性、难抽放煤层瓦斯防治是实现高产高效矿井安全生产的关键。1　改变通风方式　利用均压防治采空区瓦斯111　改变传统通风方式目前普遍采用的工作面U型通风方式,由于上隅角及回风顺槽瓦斯浓度经常超限,严重影响正常生产。因此,国内外都在配合采煤工艺改革,将传统的U型通风方式改为U+L型、E型、W型、Y型、Z型、双Z型等。112　利用均压技术根据采场瓦斯流动规律,导致U型通风系统上隅角及回风顺槽瓦斯浓度超限主要原因是采空区的瓦斯向上隅角汇集。采用均压技术降低采面上、下巷端口的压差,不仅降低采空区向采面涌出的瓦斯量,也是防治采空区遗煤自燃的主要途径。鹤壁煤业公司四矿26082综放工作面采用了均压通风技术,以防止工作面后部采空区瓦斯涌出,取得了较好的效果。该工作面的上分层26081综采工作面已经停采,其生产期间绝对瓦斯涌出量为15196～21182m3/min。26082综放工作面回采期间,上隅角和回风巷瓦斯浓度渐增并出现短时超限现象。采取调增风量和利用风障措施已不能有效地解决该工作面瓦斯问题。通过对工作面瓦斯来源分析,发现工作面后部采空区瓦斯涌出占工作面瓦斯涌出总量的4512%,决定采用均压通风措施降低工作面上下口压差,减少采空区漏风,抑制采空区瓦斯涌出。均压通风实施后,工作面风量由945m3/min下降至648m3/min,工作面上下口压差由376Pa降至152Pa,回风巷瓦斯浓度由0198%下降至018%,特别是工作面上隅角和后部机尾瓦斯浓度下降最明显,达到了预期效果。2　煤层卸压提高透气性　改善瓦斯抽放效果在进行瓦斯抽放时,煤层透气性系数是衡量瓦斯在煤层内流动难易程度的重要参数。未卸压煤层的抽放效果主要取决于透气性系数。为了增加煤层的透气性系数,国内外进行了大量煤层卸压研究。211　水力压裂法水力压裂技术就是向煤层压入液体,当进入煤层的液体压力逐渐上升,超过煤体应力时,煤层内原来的闭合裂隙张开,形成新的流通网络,煤层的透气性就会增加。由于受煤层地质条件的限制,水力压裂法压开煤层裂缝的位置、方向及形式往往无法人为控制,压裂缝总是沿着煤层最薄弱的部分伸展,因此不可能很好地达到设计要求,抽放效果也受到影响。白沙红卫煤矿、阳泉一矿、抚顺北龙风井、焦作马村矿和沈阳有关矿等,先后开展地面和井下钻孔煤层水力压裂抽放瓦斯试验,收到了较好效果。212　水力割缝法水力割缝法是在钻孔内运用高压水射流对钻孔两侧的煤体进行切割,形成两侧具有一定深度的扁平缝槽,利用水流将切割下来的煤块带出孔外,由于增加了煤体暴露面积,因而使得钻孔附近煤体得

07第9卷第2期(总第59期)2004年6月煤　矿　开　采CoalMiningTechnologyVo119No12(SeriesNo159)June　2004

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net到局部卸压,改善了瓦斯流动条件。水力割缝法抽放瓦斯的效果,取决于水射流切割煤体的效率。鹤壁四矿、二矿及湖南红卫煤矿对水射流特性参数及切割效果进行了考察。考察表明,水力割缝形成的松动卸压影响范围可达4～10m,因此,水力割缝不仅仅是增大煤层暴露面,更重要的是扩大了有效抽放范围。对低透气性煤层,水力割缝措施能较好地提高瓦斯抽放量,但水力割缝所需的装备及工艺应根据井下条件进一步完善配套。213　深孔预裂爆破深孔预裂爆破的原理是利用炸药爆破瞬间产生的爆轰压力和高温高压爆生气体,使爆破孔周围的煤体产生裂隙、松动、压出和膨胀变形,以提高煤层的透气性。前苏联的卡拉岗达、我国湖南涟邵、白沙局等都进行过爆破试验。试验表明,松动爆破后,钻孔瓦斯抽放量在较短时间内可以增加几倍,但很快就下降枯竭,钻孔总瓦斯抽放量的增加并不显著。214　交叉布孔法对于低透气性煤层,当钻孔孔径和数量加密到一定程度后,如再加大、加密,则布孔位置及打钻施工比较困难。为此,采用钻孔交叉布置方式,即采用平行钻孔与斜交钻孔同时布孔的方式抽放瓦斯,由于在钻孔空间交叉点处煤的塑性变形加大,相当于增加了钻孔孔径,因而扩大了煤体的松动卸压范围。这一技术的关键在于钻孔交叉点的空间距离不能太远,必须使2个钻孔之间的煤体变形能相互影响;但也不能太近,如果钻孔相互贯通,则也不能增加卸压范围。焦作九里山矿进行了交叉布孔法抽放开采层瓦斯的试验,试验区交叉钻孔中的平行孔及斜交孔的孔间距为3～415m,钻孔终孔孔径皆为65mm,平均孔深63m,斜向钻孔与平行钻孔呈10～20°夹角。经半年多的抽放对比表明:在不增加钻孔工程量的条件下,交叉布孔比平行布孔预抽开采层瓦斯量增加56%～83%。215　用物理化学方法处理煤层煤层物化处理就是向煤层压注化学活性溶液及表面活性剂,使煤层软化,改变其吸附瓦斯能力,加速瓦斯从煤层中排出,提高钻孔瓦斯抽放量。前苏联进行过酸化处理煤层试验。当采用浓度为3%的盐酸处理煤体时,煤中的灰分从16%降低到10%;并观察到经酸化处理后,煤的过渡孔隙体积有较大变化,煤的总孔隙率增加117倍,提高了开采煤层的瓦斯抽放量。靖远矿务局魏家地煤矿经过广泛调研和试验研究,选用了非离子型表面活性剂处理煤层,并进行了3次工业性试验。经试验测算,注表面活性剂后单孔抽放效率一般提高78%。因此,用表面活性剂提高瓦斯抽放率是十分有效、有前途的措施。3　改变抽放方法和抽放工艺在本煤层抽放低透气性煤层瓦斯时,为提高抽放率要改变抽放方法和抽放工艺,一般采用:高抽巷抽放、高位抽放孔抽放、采空区抽放、综合抽放等,同时要提高抽放负压和封孔质量、完善抽放系统等。311　高抽巷抽放受采动影响,工作面采空区上方形成冒落带和裂隙带,这些地点是高浓度瓦斯积聚的地方,并随着工作面的推进顶板冒落,对工作面上隅角、回风瓦斯管理造成极大的困难,严重威胁着矿井安全生产。为此,如果在顶板裂隙带中布置1条巷道与抽放管路连接,构成瓦斯抽放系统,在矿井自然负压及抽放泵负压共同作用下,瓦斯就沿着裂隙通道涌入抽放巷,被直接抽放到地面或总回风巷中,从而大大降低工作面瓦斯涌出量,保证安全生产。高位巷道布置是否合理直接关系到瓦斯抽放的效果。抽放巷应布置于裂隙带岩(煤)层中,此时,裂隙带瓦斯主要通过煤体或裂隙,以渗流的形式流入裂隙带,其受工作面风量变化的影响较小,则其内瓦斯浓度也较大;另外巷道布置在裂隙带,其受采动影响较小,巷道不易破坏,便于高巷长期稳定地抽出高浓瓦斯。淮南谢一矿5111C13工作面为C13煤层顶分层工作面,煤层平均厚度约610m,属于低透气性煤层,回采水平煤层原始瓦斯压力达3175MPa。结合C13煤层的赋存条件,将顶板走向巷道布置在距C13煤层顶板平均约15m的不可采的C15煤层内,其垂直距离保持在10～15m,水平距保持在8～27m范围内。从现场试验结果可以看出,工作面正常回采过程中,绝对瓦斯涌出量最高达28m3/min,平均约为23m3/min,其中顶板巷道抽排瓦斯量约占10m3/min,占总涌出量的4315%,抽放瓦斯浓度在50%～65%之间。通过顶板巷道抽排瓦斯,使工作面回风流中瓦斯浓度基本上保持在017%以下,有效地解决了工作面瓦斯超限,确保了工作面安全生产,实现日产达1300t以上。312　高位钻孔抽放17王　泰:低透气性单一煤层采煤工作面瓦斯防治措施2004年第2期

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net工作面回采时的瓦斯来源一是本煤层涌出瓦斯;二是采空区遗煤、邻近层、围岩涌出瓦斯。如果在顶板裂隙带中施工高位钻孔并与瓦斯抽放管路连接,形成瓦斯抽放系统,瓦斯就沿着裂隙涌出到抽放钻孔内,被直接抽到地面或总回风巷中,从而大大降低工作面瓦斯涌出量,消除安全隐患。淮北芦岭煤矿84141工作面,是四采区8#煤的最后一个块段的顶分层工作面。该工作面原始瓦斯压力2182MPa,8#煤煤层瓦斯含量15151m3/t,由于煤层透气性差,难以抽放,预抽瓦斯仅占总瓦斯量的17%。该块段采用单巷布置,底板穿层钻孔控制范围仅限于工作面下部40～60m范围,造成工作面抽放不均匀,工作面上部瓦斯没有得到充分的抽放。经测定分析,84141工作面回采时瓦斯最大绝对涌出量为1316m3/min。工作面配风800m3/min,局部瓦斯浓度2%～4%,上隅角瓦斯浓度4%以上,回风瓦斯浓度113%～115%。根据瓦斯超限原因分析及治理思路,沿工作面风巷每隔20m布置1组高位钻孔,每组钻孔4个,钻孔终孔位置设计在距风巷平距20～25m范围内的采空区冒落带或裂隙带内;钻孔直径为90mm,采用封孔器封孔,钻孔封好后,接入152mm抽放管路。布置高位钻孔抽放后,工作面及上隅角瓦斯浓度明显下降,正常回采过程中,工作面配风量800m3/min,经测定工作面瓦斯浓度为016%左右,上隅角瓦斯浓度为018%左右,钻孔瓦斯浓度达到15%～20%,流量为45m3/min,排放管路中瓦斯浓度为15%～20%,瓦斯纯流量为6176～11185m3/min,满足了工作面生产的需要。313　采空区抽放采空区涌出的瓦斯,在矿井瓦斯来源中占有相当的比例,对这部分瓦斯如果只靠通风的办法解决,显然增加了通风负担,也不经济。对开采层采空区抽放的方法主要有:插(埋)管抽放、向冒落拱上方打钻抽放、在基本顶岩石中打水平钻孔抽放、直接向采空区打钻抽放、顶板尾巷抽放、工作面尾巷抽放等。31311　插(埋)管抽放插管法抽放,是把带孔眼的管子在顶板冒落前直接插(砌)入采空区进行抽放。插入的管子直径75～100mm,处在采空区内一端的管子约长2～215m,管壁穿有小孔,该管尽量靠近煤层顶部,处于瓦斯浓度较高的地点。这种方法抽出的瓦斯浓度不很高,通常只是10%～25%。其抽放效果取决于抽出混合气体中的瓦斯浓度和支管中造成的负压这两个主要因素。该方法简单易行,成本低,但效率低。埋管法抽放和插管法抽放基本是相同的类型,只是布置方式不同。埋管法一般是沿回采工作面的回风巷的上帮敷设一条直径108mm的瓦斯管,随着工作面的推进,瓦斯管的一端逐渐埋入采空区,埋管的长度一般为20～50m。这种方法在国内应用的矿井较多,称为上隅角埋管法抽放采空区瓦斯。在工作面瓦斯涌出总量不是非常大的条件下,对解决上隅角和回风巷瓦斯超限效果较好。31312　向冒落拱上方打钻抽放该方法钻孔孔底应处在初始冒落拱的上方,以捕集处于冒落破坏带中的上部卸压层和未开采的煤分层或下部卸压层涌向采空区的瓦斯。这种抽放方式,有的可以抽出较高浓度的瓦斯,钻孔的单孔瓦斯流量可达2～4m3/min左右,可使采空区瓦斯涌出量降低20%～35%。31313　在基本顶岩石中打水平钻孔抽放当涌向采空区的瓦斯主要来自开采煤层顶板之上,顶板易于破坏,从开采层往上打钻抽放困难时,可采用从回风巷向煤层上部掘斜巷,一直进入稳定岩层为止,并在斜巷末端作钻场,迎着工作面推进方向打与煤层平行的2～3个钻孔的方式抽瓦斯。孔长100～150m,孔径90～100mm。从钻孔中心线到煤层顶板的距离取决于直接顶厚度,一般为5～10m。随着回采工作面推进,钻孔底始终处于冒落拱上部,而孔口处于负压状态。这种抽放方式可以取得较好的抽放效果。31314　直接向采空区打钻抽放这在开采急倾斜厚煤层时使用较多。可以从运输水平或回风水平底板岩巷或下部煤层的巷道内向采空区打钻。抽放钻孔进入采空区的位置以靠近回风侧、在阶段垂高的013左右处为宜。这种方法也适用倾斜和缓倾斜煤层条件,目前不少矿井采用穿层钻孔预抽瓦斯,若工作面开采时瓦斯涌出量仍较大,也可利用一部分钻孔作抽放采空区瓦斯之用。31315　顶板尾巷抽放在工作面开采之前,于开切眼外煤柱内,距工作面回风巷1/3工作面长度处,掘一斜巷至开采层顶部一定高度,再作平巷深入工作面一段距离,在巷口密闭插管,待工作面推进一定距离后开始抽放。在阳泉四矿开采12#号煤层时用过这种方法,取得较好效果。(下转81页)27总第59期煤　矿　开　采2004年第2期