综采工作面瓦斯综合治理的研究与应用

摘要:本文通过对唐山矿业公司2781综采工作面瓦斯来源分析,找出了影响工作面瓦斯异常涌出的原因,采取了调整采区及相关系统通风压力、回风巷抽排局部通风机排放、利用移动抽放泵站上角埋管抽放和回风巷高位钻孔抽放等综合治理措施,取得了良好效果。

关键词:瓦斯;抽排局部通风机;移动式瓦斯抽放泵

唐山矿是高瓦斯矿井,矿井绝对瓦斯涌出量为51.968m3/min。为适应企业快速发展的需要,唐山矿全力打造高产高效矿井,工作面单产不断提高,高强度的回采给工作面瓦斯管理带来了难度,工作面上隅角和回风巷瓦斯时常超限,严重影响了矿井的安全生产。通过对2781综采工作面瓦斯异常涌出进行了研究与治理探索,取得了一定效果。

1 工作面概况

2781工作面位于唐山矿北翼十二水平七石门采区,属8煤层,北部为2783未采区,上部为2751、2753采空区,工作面走向长度560m,工作面长度110m,煤层倾角13-47度,煤层厚度平均4m。风道和溜子道沿底布置,采用10.4m2金属拱型支护。回采过程中,瓦斯涌出异常,特别是工作面周期来压期间和大气压力突然下降时,最大时工作面面风流瓦斯浓度0.3%,回风上角瓦斯浓度为 5～8%,风道回风瓦斯浓度1.2%,采用综采割煤工艺开采,工作面采用“U”形全风压通风,有效风量为15.1m3/s,正常状况下风道回风瓦斯浓度为0.4～0.6%。(见图1)

图1 2781工作面通风系统示意图

2 瓦斯来源分析

通过对2781工作面瓦斯涌出量的测定,测定结果见表1

可以看出:影响安全生产的瓦斯主要来源为采空区瓦斯涌出。

采空区瓦斯分为两部分:5煤层采空区和2781本身采空区瓦斯。

2781工作面上部为5煤层采空区,5煤层与8煤层层间距为30～40米,5煤层系统通风压力比2781系统通风压力高186.9Pa,5煤层采空区瓦斯沿裂隙向2781采空区运动。

2781工作面为综采工作面,采空区遗留浮煤较多,且煤层中瓦斯含量较大,浮煤向2781采空区大量涌出瓦斯。

3 瓦斯异常涌出的因素分析

3.1 大气压力变化影响

采空区内的压力与巷道内的通风压力需保持平衡状态。当大气压力突然下降时,井下巷道的通风静压也相应下降,采空区内的压力高于通风静压,采空区内的瓦斯大量涌出;当大气压力突然升高时,巷道内的通风压力高于采空区内的压力,采空区内的瓦斯几乎没有涌出;当大气压力变化平缓时,巷道内的通风压力与采空区内压力相对平衡,瓦斯均匀涌出。从2781工作面瓦斯涌出情况看,瓦斯大量涌出时多发生在大气压力下降较为明显的时期。

3.2 受地质赋存条件影响

2781工作面的煤层倾角大,13～47度,平均30度,瓦斯比空气的比重轻,大量的高浓度瓦斯积聚在工作面上部采空区的空间,风流流向支架采空区后,含大量高浓度瓦斯的污风从上角集中涌出,积聚在上角,造成上隅角超限,正常时在1.8～2.5%之间;如果出现异常时,瓦斯浓度在10%以上。

3.3受周期来压影响

该工作面顶板岩层瓦斯赋存量大,当工作面周期来压时顶板大面积跨落,岩层瓦斯大量释放,造成瓦斯涌出量增大。

3.4 受5煤层采空区影响

由于七北石门5煤层系统(已经回采结束)通风压力比2781系统198.2Pa,致使5煤层采空区瓦斯向2781工作面运动。

4 综合治理措施

针对瓦斯来源及影响瓦斯异常涌出的原因,采取了综合治理方案如下:

4.1调整采区通风系统及相关系统通风压力

为保持采区通风系统的稳定可靠,维护2781的通风断面达到设计标准,调整北翼七石门的通风系统,改变北翼系统阻力分布状态,在七北石门5煤层进风巷增设两道调节风门,用以降低北翼5煤层的通风压力,避免5煤层采空区瓦斯向2781采空区运移。工作面有效风量保持在18.00m3/s以上,提高工作面通风压力,以减小大气压力变化带来的影响程度。

4.2使用抽排局部通风机抽排上隅角瓦斯

根据对已采工作面瓦斯涌出情况来看,工作面开采初期,瓦斯涌出量不大,上隅角瓦斯浓度低,当工作面推进30m以后,工作面老顶跨落,工作面采空区与周围采空区连通,上隅角瓦斯开始超限。所以提前在2781工作面回风侧距离50米处安装一台抽瓦斯局扇,并在抽瓦斯风机进风口和出风口安装瓦斯自动报警断电装置,进风口瓦斯断电浓度为2.5%,出风口瓦斯断电浓度为1.5%。从2781工作面使用情况来看,当工作面上隅角瓦斯浓度达到4%～8%时,通过使用抽排风机能够满足上隅角瓦斯不超限。该方法对上隅角瓦斯抽放效果非常明显。但在使用中要特别注意三点,一是监测断电功能必须齐全可靠,传感器、断电仪等经常维护,每隔一天校验一次;二是风机负压风筒进风口的管理,采用在负压风筒末端加一根Φ400mm的铁质风筒,该风筒进风口进入采空区切顶线以里1.0米左右,周围用尼龙袋装煤堆码一道隔离墙,既保证了进风口的负压空间,又将采空区与风流隔离起来;三是风机前的安设配风三通调节装置,配风调节三通处要设专人进行管理,发现传感器显示浓度增加,瓦斯浓度接近2.0%时,及时调大配风口或减小排放吸入口,保证抽排的顺畅。

4.3采用移动泵站抽放上隅角和采空区瓦斯

在进行抽排上隅角瓦斯的基础上,随着回采的推移,瓦斯涌出日渐增大,又时有发生回风瓦斯超过1%的情况。因此采用工作面采空区埋管抽放的方法,即将抽放管路埋入工作面上隅角老塘内,管路离底板距离0.5m,并在抽放管路处打好木垛,避免管路损坏。移动式瓦斯抽放泵选用2BEA-253-O型移动式抽放泵,最大抽放量30m3/min,极限真空度95kPa,电动功率45kW。抽放管路采用直径为159mm的玻璃钢管路。

受地质变化影响,工作面高浓度瓦斯有时从靠煤壁上侧涌出,上角预埋管路抽放抽不到高浓度瓦斯,不得不在工作面回风巷施工超前钻孔,抽放上隅角附近采空区内的瓦斯。从其他工作面抽放经验和理论分析看,工作面回采后,上覆岩层会产生冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。高位抽放钻孔如果打的过低,终孔在采空区冒落带,抽放时会增加采空区的漏风,造成流量大而瓦斯浓度低,效果不好。如果打的过高,又会造成流量太小,甚至起不到抽放瓦斯的效果。只有打在采空区裂隙带效果较好。因此决定钻孔设计终孔在冒落带以上2-5m的裂隙带。

在工作面回风巷每隔40m施工一个超前抽放钻孔,钻进方向与回风巷中线平行,钻孔参数为:上仰18～20度,孔深20～30m,开孔φ108mm,终孔φ75mm,采用水泥沙浆封孔工艺,封孔深度5～8m。第一个钻孔距工作面煤壁50m,两个钻孔水平搭接20～25m,随着工作面的回采,当工作面切顶线移到每个钻孔的终孔位置时,利用30m3/min的移动泵和φ159mm抽放管路进行抽放,超前钻孔数量根据工作面回采进度和钻孔施工进度而定,该工作面超前钻孔的数量为2～3个,随着工作面的推采逐步往外倒接钻孔进行抽放。后期瓦斯抽放采用上角预埋管路和回风巷高位钻孔并联抽放,才将工作面上角和回风瓦斯浓度控制到了较低值。

5 效果

通过以上方案的实施,工作面风压提高了170Pa,2781系统通风压力比5煤层系统高110Pa。2781工作面回风瓦斯控制到0.4～0.5 %,进风角瓦斯浓度为0.1%,工作面上隅角瓦斯降到了0.4～0.8%,各处抽放情况如表2

6 结语

(1)综采工作面的瓦斯治理,必须对现场情况进行调查,详细地原因分析,根据具体情况采取有针对性的综合措施。

(2)通过多次生产实践证明,调整采区及相关系统通风压力是防治采空区瓦斯异常涌出的一种有效措施。

(3)采用抽排局部通风机是治理回采工作面上隅角瓦斯的有效手段,适合于瓦斯涌出量较小,上隅角瓦斯浓度小于3%,瓦斯涌出比较均匀的地点,还需要进行加强现场管理。

(4)利用移动式瓦斯抽放泵站在回风道打高位钻孔和工作面上隅角埋管并联进行瓦斯抽放是瓦斯防治治本的主要手段。

(5)瓦斯治理工作需要全员参与,在井下生产区域作业的人员都需要有较强的通防意识,从思想上高度重视,一旦发现瓦斯浓度超限报警要及时撤离,向主管部门汇报,及时采取措施进行处理。