霍尔辛赫煤矿采空区瓦斯治理技术研究.pdf

162.江西煤炭科技2023年第3 期霍尔辛赫煤矿采空区瓦斯治理技术研究贺小龙（山西焦煤山煤国际能源集团股份有限公司煤业分公司，山西太原0 3 0 0 0 6）摘要：针对霍尔辛赫矿3 10 3 工作面煤层瓦斯含量较高的问题，设计采用顶板走向钻孔抽采瓦斯，通过理论计算和工程经验针对瓦斯含量及治理技术进行了研究，得到工作面顶板钻孔各项技术参数，通过监测井下工作面瓦斯抽采量，对参数进一步优化，可以有效防止瓦斯聚集问题，保证工作面安全生产。关键词：采空区；瓦斯治理；钻孔抽采；顶板钻孔中图分类号：TD712+.6(Coal Industry Branch of Shanmei International Energy Group Co.,Ltd.,Shanxi Coking Coal Group,Taiyuan,Shanxi 030006)Abstract:Aiming at the problem of high coal seam gas content in the 3103 working face of Huoerxinhe Colliery,the authorstudies the gas content and control technology through theoretical calculations and engineering experience,obtains varioustechnical parameters of the roof drilling of the working face,and further optimizes the parameters by monitoring the gas extractionamount of the underground working face,which can effectively prevent the gas accumulation and ensure the safety production ofthe working face.Key words:goaf;gas control;borehole drainage;roof drilling井下工作面开采时，瓦斯事故时有发生，为保证井下工作面安全高效开采，采取合适的瓦斯治理方式尤为重要，因此针对井工开采矿井瓦斯治理技术的研究十分必要1-3 。霍尔辛赫煤矿采煤工作面采用U型通风方式，一旦抽采不到位，将由老顶来压挤压采空区空间，积聚的瓦斯会向工作面大量涌出，引起工作面瓦斯超限。为了保证回采工作面的安全高效生产，拟开展采空区瓦斯治理成套技术研究。1矿井概况霍尔辛赫矿位于山西省长治市，3 号煤层为矿井主采煤层。3 10 3 工作面煤层厚度5.8 6.0 m，平均5.9m厚，倾角3 8，煤层结构简单,工作面顶底板岩性如表1所示。工作面走向长度580m，切眼长度2 10 m。掘进过程中实测瓦斯含量分布呈东高西低趋势，区间值为6.3 7 9.0 4m/t，抽采达标含量为6.8 9 m/t，工作面平均日推进4.8m，工作面采用走向长壁后退式采煤方法，综合机械化一次采全高回采工艺。工作面顺槽掘进断面4.5m3.1m，新鲜风流由3 10 3 运输巷进风，通过工作面后，乏风由3 10 3 回风顺槽排至回风大巷。工作面配风约2 50 0 m/min。文献标识码：AStudy on Gas Control Technology in Goaf of Huoerxinhe CollieryHe Xiaolong顶底板岩石厚度分类名称/m老顶细粉砂岩8.95深灰色，中厚层状，以石英为主直接顶细砂岩12.51灰色，中厚层状，石英为主伪顶泥岩0.2深灰色，块状，含煤屑直接底砂质泥岩1.46老底细粒砂岩1.17灰色，中厚层状，石英为主2高位钻场顶板走向钻孔抽采瓦斯由于高产高效工作面推进速度快、单产高，造成工作面瓦斯涌出量较大。目前最常用的瓦斯抽采方法为顶板走向钻孔抽采法，该方法具有抽采流量大、抽采浓度高、工艺简单等特点。但要将顶板走向钻孔瓦斯抽采效果发挥至最优，需结合顶板裂隙发育规律确定顶板钻孔的合理层位。2.1顶板钻孔终孔层位确定依据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范中硬煤层垮落带计算公式：100ZM2.2式中：M为煤层厚度,取5.9。计算可得垮落带高度为12.6 2 土2.2 m，往上为裂隙带范围，因此，瓦斯抽采控制层应避开垮落文章编号：10 0 6-2 57 2(2 0 2 3)0 3-0 16 2-0 4表13 号煤层顶底板及构造情况岩性特征深灰一灰黑色，局部夹有薄煤层(1)2023年第3 期带，放置于裂隙带中，综合考虑相邻工作面瓦斯孔位布置经验，瓦斯抽采控制层位取2 0 3 0 m。进一步计算钻孔终孔位置距离回风巷最小距离：cos BhuiLmsin(+0)式中：Lmin为钻孔终孔位置距离回风巷的最小距离;0 为煤层倾角，取4;为水平垮落角,取29;hmin为高位钻孔的最小终孔高度,取2 0 m。计算得Lmim=7.97m，确定高位钻孔在倾向的控制范围距回风巷8 6 0 m。综上所述，确定大采高工作面顶板钻孔终孔位置为沿顶板方向2 0 3 0 m，倾向方向8 6 0 m。2.2钻场间距确定综合考虑钻孔终孔、角度、跨落角等因素，进行高位钻孔钻场间压茬设计，保证相邻钻场间能连续作业。第二钻场接替第一钻场钻孔最小及最3103回风顺精33103工作面3103运输顺槽(a）顶板钻孔设计平面(1)高位钻场设计参数：在3 10 3 回风巷施工高位钻场，钻场高1.1m（距回风巷底板），沿煤层顶板掘进，高位钻场深5.0 m(其中钻场通道1.0 m，钻场长4.0 m)，宽5.0 m,高2.8m。为了方便钻孔施工和保证封孔、抽采效果，钻场掘出后，挑顶0.8 m，尽可能保证钻孔开孔在岩层内。高位钻场及钻孔设计如图1所示。(2)抽放钻孔参数：1#-4#钻场间距7 0 m，设计8 个钻孔，钻孔间距为0.8 m，钻孔开口高度距底板1.8 2.2 m，钻场压茬3 5m，钻孔位于顶板岩层2 0 3 0 m，设计参数如表2 所示。表2 1#-4#钻场钻孔竣工参数距底板方位角钻场编号钻孔编号钻孔间距倾角/m/1-1#0.41-2#0.41-3#0.41-4#0.41-4#1-5#1-6#1-7#1-8#江西煤炭科技大压茬长度分别为：bmin=A+hcotbmax=A+L,+hcot(2)式中：L,为基本顶的周期来压步距,15m;h为高位钻孔终孔距煤层顶板最大高度,3 0 m;A为钻场的抽采盲区宽度,5m;顶板岩层的走向垮落角，49。计算可得bmin=31 m,bmx=46m，取高位钻孔压茬长度为 3 5 m。2.3顶板钻孔设计根据以上计算成果，在霍尔辛赫矿3 10 3 工作面进行现场试验，并根据工作面的抽采瓦斯数据进行优化。前期在工作面布置4个高位钻场，通过实测参数分析抽采效果，14号钻场及钻孔设计参数如图1所示。顶板钻孔携顶0.8 m工作面侧卷新高位钻场回风巷(b)顶板钻孔设计剖面图A-A剖面图1顶板高位钻场及钻孔设计3试验效果分析3.1抽采效果分析在工作面回采期间对顶板高位钻孔的抽采情况进行了观测，钻孔平均抽采浓度16.4%，抽采纯量0.8 m/min，钻场总抽采平均浓度为18%，抽采总平均纯量约6.5m/min左右。同时对回采期间工作面、回风隅角及回风流瓦斯浓度进行了观测。通过对收集的数据进行整理分析，分析结果如下：(1)从钻孔终孔距离角度分析1#、3#钻孔实际施工距离为顶板岩层10 20m处，抽采瓦斯浓度较低，单孔抽采量约为孔深0.350.55m/m i n，单孔抽采浓度为4%11%，/m分析可知此类钻孔以抽采采空区垮落带瓦斯为2.11181.81212.11251.81280.42.10.41.80.42.10.41.8163(3)(4)高位钻场国风巷制带钻场通道层底板实体爆(c)顶板钻孔设计剖面图B-B剖面711591167116911713712130121401413414国风巷侧带主。2#、4#、6#、8#钻孔实际施工距离为顶板岩层203 0 m，抽采量较大，浓度较高，单孔抽采量约120为0.8 51.5m/min，单孔抽采浓度为16%11928%，分析可知此类钻孔以抽采采空区垮落带与122裂隙带之间瓦斯为主。1205#、7#钻孔实际施工距离为顶板岩层3 0 16435m，抽采量一般，浓度较高，单孔抽采量约为0.651.05m/min，单孔抽采浓度为14%2 4%，分析可知此类钻孔以抽采采空区裂隙带之间瓦斯为主。根据以上分析1#、3#钻孔抽采效果不佳，5#、7#钻孔抽采效果一般，2#、4#、6#、8#钻孔抽采效果较好，因此可以得到钻孔终孔距离顶板2 0 3 0 m时效果最好。(2)从工作面推进位置距离钻场位置分析根据工作面推进位置距离2#钻场的实际位置,如图2 所示。+60m58m+50m48m43m-30m1.61.41.210.80.60.40.2015/30602号钻场纯量/(m/min）3号钻场纯量/(m/min)总计/(m/min)有1.49m/min。2#钻场正常抽采时抽采量平均12 m/min。两个钻场抽采总纯量递减至2 0 2 2 年3 月3 1日达到最低点，为5.6 1m/min，以后逐渐递增，到4月2 日达到正常水平（12.45m/min）。从表3 可知，2#、3#钻场在3 月2 9日4月1日之间抽采量存在不正常，存在两个钻场接替问题。按照每天推进45m计算,压茬影响距离在16 2 0 m左右。同时对回采期间工作面、回风隅角及回风流瓦斯浓度变化情况进行整理分析：工作面回采到18m时，由于工作面直接顶初次来压垮落，同时工江西煤炭科技根据图2,并结合图3 可知：推进距离为40 60m时，抽采量及抽采浓度均较大，推过40 m后呈现降低趋势。(3)从水平投影距巷道距离分析2#、3#钻场施工情况如图4所示。1#钻孔位于水平投影距巷道0 8 m处，2#8#钻孔位于水平投影距巷道8 6 0 m处.3103回风顺槽35m860m图42#、3#钻场钻孔实际施工水平投影距巷道0 8 m位置，在实测期间1#钻孔抽采纯量为0.3 0.45m/min，抽采浓度为5%12%,抽采效果一般。水平投影距巷道8 6 0 m位置，2#8#钻孔12图2各钻孔抽采纯量折线5850工作面距2 号钻场距离/m一一2 号钻场瓦斯抽采量图3 2#钻场抽采总量时间钻场3.2311.210.2411.452023年第3 期1#4#3#5#7#8#34钻孔编号（a）48433103工作而切眼563024表3 22#、3#钻场抽采参数对比3.263.2911.265.970.521.4911.787.47719812抽采混合量较大，抽采浓度相对较大，单孔平均抽采纯量0.6 5 1.5m/min，抽采平均浓度14%28%，抽采效果较好，分析此区域最佳层位在8 60 m。(4)钻场压茬距离分析结合矿井瓦斯抽采队日常观测的数据进行整理,如表3 所示。2#钻场的抽采纯流量参数在2 0 2 2 年3 月2 9日出现明显下降，抽采纯量只有5.97 m/min，而同时此时的3#钻场刚刚开始起作用，抽采纯量只3.33.313.462.172.583.496.045.61作面日推进速度由2.4m增加到4.8 m，出现一次瓦斯浓度的大波动。在40 m往后回风隅角瓦斯浓度波动非常大，分析因为采空区老顶垮落造成的瓦斯增大。回采到7 0 m时,增大瓦斯约2 m/min。回采至140 m、2 2 0 m 时均出现瓦斯增大的情况，维持10 2 0 m后区域稳定。分析可知这是由于钻场压茬距离不够,瓦斯增大时处于两个钻场交替阶段。根据高位钻孔瓦斯抽采的衰减规律，合理优化钻孔布置参数，采用双茬钻孔交替布置方式，针对压茬距离采用3 5m时不能满足瓦斯抽采效率的问题,将压茬距离提高至45m;并合理设计钻场4.11.85.367.164.20.511.9512.454.3010.5610.564.4012.9212.922023年第3 期间距，根据工作面经验钻场间距减少为6 0 m。3.2瓦斯抽采达标评判3103工作面掘进过程中实测瓦斯含量6.379.0 4m/t,平均含量7.7 1m/t。进一步优化瓦斯抽采钻孔后，当工作面回采时，单孔抽采浓度在3 0%左右，单孔抽采纯量在1.2 1.5m/min左右，抽采总量达到2.15m/t，总抽采浓度2 8%左右。3 10 3 工作面瓦斯浓度为0.5%0.7%，回风流0.4%0.6%,抽采效果非常明显。4结论针对霍尔辛赫矿3 10 3 工作面瓦斯含量较高的问题，根据高位钻孔瓦斯抽采的衰减规律，合理优化钻孔布置参数，采用理论计算和工程经验针对瓦斯治理技术进行了研究：1)通过理论计算及工程经验得到顶板钻孔终孔位置为沿顶板方向2 0 3 0 m,倾向方向8 6 0 m;高位钻孔压茬长度为3 5m。2)通过工作面现场试验，分析工作面顶板钻孔瓦斯抽采变化规律，将压茬距离优化为45m，江西煤炭科技钻场间距优化为6 0 m。3)通过高位钻孔抽采采空区瓦斯措施后，3103工作面瓦斯浓度为0.5%0.7%，回风流0.4%0.6%,抽采效果非常明显。参考文献：1蔡文鹏，刘健，孙东升，等.顶板走向高位钻孔瓦斯抽采技术的研究与应用刀.北京：中国安全生产科学技术，2013,9(12):35-38.2张欢，赵洪宝，李小白.分段式Y型通风采场瓦斯与流场分布三维实测与重构J.北京：中国安全生产科学技术,2 0 18,14(7):10 7-114.3闫志强.贺西煤矿3 3 11工作面Y型通风采场瓦斯分布规律研究J.内蒙古煤炭经济，2 0 15,42(1）：19 7-19 8.作者简介：贺小龙（198 5一），男，山西宁武人，2 0 0 9年毕业于太原理工大学矿业工程学院安全工程专业，工程师，研究方向：矿井通风与安全。收稿日期：2 0 2 2-0 8-19165.编辑：彭呈喜(上接16 1页)4结论1)新元矿3 10 9 综采工作面开采时煤层瓦斯涌出量较高，需要对煤层中的瓦斯进行抽采，以免出现瓦斯异常涌出造成瓦斯浓度超限等问题。分析了3 10 9采煤面瓦斯抽采技术问题，提出了利用简易胶囊封孔、高压水力修复钻孔和低负压抽采的优化工艺。2)现场对比实测钻孔瓦斯抽采浓度和流量发现，工作面原有抽采工艺的瓦斯抽采效果最差，简易胶囊封孔后，与原有抽采工艺相比封孔难度降低,且能够在更短时间内抽采相同体积的瓦斯,钻孔抽采效率有明显提升。高压水力修复钻孔后，钻孔瓦斯抽采量和抽采效率均大幅提升。采用低负压抽采工艺时，钻孔抽采效果并未发生大幅降低，说明低负压抽采是可行的。参考文献：1】黄旭超，王正帅，陈建杰，等.煤层群联合压裂增透石门快速揭煤技术研究与应用J.北京：煤炭科学技术，2018,46(6):52-56.2袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系J.北京：煤炭学报,2 0 0 9,3 4(1)：1-8.3王正帅.碎软煤层顺层钻孔水力割缝增透技术研究.北京：煤炭科学技术，2 0 19,47(8）：147-151.4张槐森，秦玉金,苏伟伟.负压对瓦斯抽采效果的影响机制研究J.抚顺：煤矿安全，2 0 19,50（8）：2 3-2 6,3 1.5韩兵.近水平煤层瓦斯抽采钻孔自动膨胀快速封孔装置及应用J.抚顺：煤矿安全，2 0 19,50（8）：7 2-7 4，7 9.6肖长河,王春光,白振峰，等.突出煤层水力冲孔卸压增透效果数值模拟研究J.哈尔滨：煤炭技术，2 0 15,3 4(7):147-149.作者简介：李文彬（198 6 一），男，陕西横山人，2 0 16 年毕业于太原理工大学，通风助理工程师，现从事煤矿瓦斯抽采工作。收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 5编辑：彭呈喜