郑州矿区“三软”不稳定厚煤层瓦斯抽放技术

1　概述 　　郑州矿区，东西长约100km，南北宽5～45km ，地层含煤面积1500km2，地质储量24.6亿t。煤系地层主要为二迭系山西组，含煤两层： 二1煤和一1煤。其中二1煤为可采煤层，煤厚1.19～26.0m，煤厚变化较大，变异系数 70.1%；煤质松软，普氏硬度系数0.3～0.5；直接顶多为泥岩和砂质泥岩，底板普遍为泥岩 和粉砂岩，二1煤层属典型的“三软”不稳定厚煤层。 　　郑煤集团公司现有8座生产矿井，年生产能力1000万t。采用长壁放顶煤一次采全高采煤 方 法。其中有5座高瓦斯矿井，分别为超化矿、大平矿、告成矿、裴沟矿和米村矿。随矿井向 深部水平开拓延伸，煤层瓦斯含量增加，采面瓦斯涌出量最高达30m3/min以上，瓦斯治理 难度增大。二1煤层原生裂隙不发育，孔隙率小于4%，煤层透气性系数为0.052m2/M Pa 2·d，钻孔瓦斯衰减系数为2.35d-1，属较难抽放煤层。煤层自燃等级为不易自燃， 煤尘具有弱爆炸性，爆炸指数为14.1%～17.58%。 　　2　郑州矿区瓦斯抽放技术 　　放顶煤开采的一个显著特点是开采强度高，瓦斯解吸 量大，当采面瓦斯涌出量达10m3/min以上时，靠通风稀释瓦斯十分困难，且受到矿井通风 能 力、风速超限和恶化作业环境等因素制约，瓦斯曾一度成为制约郑煤集团公司生产能力发挥 的首要因素。为彻底根治瓦斯，降低其危害程度，解放矿井生产力，进一步开展瓦斯抽放工作势在必行。 　　采空区瓦斯涌出量占放顶煤工作面涌出瓦斯总量的60%以上，是造成工作面上隅角及回风流 瓦斯超限的主要原因之一。在较难抽放煤层中，采空区瓦斯抽放是行之有效的方法，适合郑 州矿区的开采技术现状。到2001年，针对各矿井、采面的不同情况，采取了 不同的方法综合治理瓦斯。 　　2.1　煤位高抽巷技术 　　在煤厚大于8m的高瓦斯采面，采取煤位高抽巷技术取得了令人满意的效果。抽放瓦斯浓度一 般为20%～60%，最高达80%以上，平均抽放率在40%以上。其抽放方式为：平行于采面回风巷 内错10～15m，沿顶板在煤层中布置一条巷道（图1），抽放管路敷设至巷口以里，并在巷口 〖JP2〗进行永久性封闭，利用瓦斯抽放泵将瓦斯抽排至主要回风巷。在U型通风形式下，采 空 区瓦斯在风流传播和扩散的双重作用下，集中在上隅角及其附近涌出，造成该地点及回风流 瓦斯超限。煤位高抽巷的作用在于改变了采空区瓦斯运移规律，使采空区成为一个负压场， 驱使高浓度瓦斯流向高抽巷，达到分流采面瓦斯的目的。 　　超化矿21071面是实施煤位高抽巷技术效果最佳的综放工作面，该面为走向长壁布置，走向 长1 160m，倾斜长147m，煤厚3～26m，平均10.7m，煤层倾角平均为10°，吨煤瓦斯含量为6～11 m3。高抽巷布置如图1所示。为缓解采掘接替，该采面高抽巷分两段分期施工，实行变 向 错位搭接，避免里段高抽巷使用期间贯通。选用SK-60型水环式真空泵，最大抽放流量60m 3/min，极限真空度14.67kPa；抽放管路采用250mm抗静电阻燃玻璃钢管。 　　图1　21071工作面高抽巷布置示意图（略） 　　图2　抽放参数与煤厚关系（略） 　　工作面初推进80m期间，未采取切实有效的抽放措施，工作面配风1800m3/ min,回风流瓦斯 在0.8%～1.2%，上隅角采取风帘导风措施后瓦斯浓度在1.2%～1.8%，受瓦斯超限的制约 ，工作 面不能组织正规循环作业，日产量不到3000t。抽放系统投入运行后，风量下调至1200m3/ min，抽出瓦斯浓度18.40%～84.93%,平均43.98%，抽出纯瓦斯量7.36～32.77m3/min，平 均 抽放率达76.59%，上隅角瓦斯浓度降到0.1%～0.6%，回风瓦斯浓度保持在0.6%以下，日均产 量提高到5000t以上，最高月产17.6万t。 　　高抽巷抽放效果与工作面煤厚变化有直接关系，不能以煤厚与瓦斯赋存量的正比关系简而论 之，而且反映在高抽巷与采面作业空间的垂距上。图2反映了21071工作面抽放参数与煤厚的 关系，因高抽巷沿煤层顶板布置，煤厚愈大，其相对位置愈高，恰处于瓦斯富集区，可取得 较好的抽放效果；进入薄煤区时，混合流量增加，反映出高抽巷透风性能提高，但因抽出瓦 斯浓度较低，造成抽放率下降，故煤位高抽巷技术适宜在特厚煤层中应用。 　　2.2　顶板岩石钻孔抽放 　　顶板岩石钻孔抽放是一项在国内得到广泛应用的采空区瓦斯抽放技术。在郑州矿区的实践当 中，采面瓦斯抽放率一般为20%～40%，最高达42.9%，效果显著。该技术一般应用于煤 厚小于8m，且赋存极不稳定的高瓦斯采面。以告成矿13071面为例进行说明。 　　该面为倾斜长壁布置，采用炮采放顶煤工艺，倾斜长860m，平均走向长115m,煤层倾角6°～ 20 °，平均11°，煤厚0.8～10m，平均4.2m。该采面沿倾向约有650m位于高瓦斯带范围内，回 采时瓦斯涌出量9～14m3/min，初期供风量达1200m3/min，瓦斯超限十分严重，回风瓦 斯 浓度0.8%～1.4%，上隅角瓦斯浓度经常处于3%上下，采面被迫限产，日回采煤量限为正常水 平的60%。后采取了高位钻场抽放采空区瓦斯。钻场布置在工作面回风 巷的下帮，钻场距一般为80m。先以20°的倾角施工斜巷，斜巷进入顶板垂高3～4m，然后作 钻场，该面共布置了8个钻场，打钻终孔高度在老顶裂隙带内1～2m，裂隙带的高度根据 经 验公式H=h/(k-1)cosα(式中：H为裂隙带高度，m；h为煤层厚度，m；k 为岩石碎胀系数；α为煤层倾角，°）求得，告成矿裂隙带高度在14～41m。每个钻 场 扇形布置3～6个钻孔，控制上隅角以下20m范围，孔径为89mm,相邻两钻场间钻孔叠加20m以 上，采用聚胺脂封孔。 　　钻孔通过老顶裂隙带抽采空区瓦斯，每孔抽放量0.6～1.3m3/min,抽放瓦 斯浓度一般为25%～55%。平均抽放率为29.5%,最高月份达42.9%。因抽放技术的应用，工作 面 风量下调至800m3/min,回风瓦斯浓度降至0.8%以下，上隅角瓦斯浓度徘徊在0.6%～1.1%， 生产恢复正常，日均多出原煤512t。工作面安全回采结束。 　　2.3　上隅角埋管抽放 　　该技术首先在大平矿实施，地点为16031炮放工作面，该面布置为走向长壁，走向长120m， 倾斜长60m，平均倾角20°，煤厚变化大，上部煤厚0.7～2.5m，下部0.7～16m，平均6. 5m。16 031工作面初采时期，瓦斯涌出量9～15m3/min，配风量1500m3/min,回风瓦斯 浓度0.8%～ 1.2%，最高达1.5%以上，上隅角采取风帘导风后瓦斯浓度持续在2.5%，虽采取浅孔动压 注水 、回风巷打密集卸压释放钻孔等措施，仍不能保证工作面安全生产，劳动组织被迫由三班回 采改为两采一准，以减缓瓦斯涌出。经采取上隅角瓦斯抽放技术后，情况得到根本好转。 　　在工作面回风巷上帮，安设150mm钢管，一端接入瓦斯抽放系统，另一端通过软管接抽 放 器。所用抽放泵型号为2BE1-253型，其最大抽放流量为40m3/min，极限真空度 86.66kPa。抽放器由长2m、100mm钢管加工，前端封闭，旁侧密集布置5mm的小孔，抽放器 埋入上隅角高处，随采面推进循环前移。附近设浓度和流量检测口，定期测量抽放参数。为 防止吸入的煤、岩尘堵塞管路，自制了除尘器接入管路。 　　随着采面推进，对抽放器的埋入最佳深度进行了摸索。抽放器前端位于切顶线时，抽出瓦斯 浓度3%～5%；深入切顶线以里1～2m时，瓦斯浓度升至7%左右；越过切顶线3m时，瓦斯浓度 提高 至7%～10%，但抽放器埋入深度越大操作越困难，深度达5m时，曾两次被压死折断。实 践证明，抽放器埋入深度在2～3m时，实现了便于操作与抽放效果的最佳结合。 　　抽放取得了明显的效果，平均混合流量为32.82m3/min,抽出瓦斯浓度3%～24%，平均7 %，抽 放纯瓦斯2.33m3/min，最高达4～6m3/min，综合抽放率为35%，工作面风量调至1200m 3/min,回风流瓦斯浓度降到0.45%～0.8%，上隅角瓦斯浓度保持在1%以下，实现了工作面连 续回采，日产由1000t提高到1500t以上。 　　为保证抽放效果，该技术一般应用于煤层倾角大，上隅角瓦斯富集的工作面。与一般的永久 埋管抽放技术相比，具有投入省、浪费小的优点。 　　3　存在问题及发展方向 　　(1) 因采用井下瓦斯抽放系统，抽出的瓦斯直接排入采区或矿井回风巷，抽放量大时，造成 采区或矿井回风巷瓦斯超限，因此建立大流量地面瓦斯抽放系统势在必行。 　　(2) 同一采面内因煤厚变化异常，采用一种抽放技术不利于达到稳定可靠的抽放效果，应因 地制宜，视具体情况采取两种或多种瓦斯抽放方法。 　　(3) 软岩钻孔塌孔、堵孔现象突出，尚缺乏技术可行、经济合理的针对措施，需展开进一步 的技术攻关。 　　(4) 充分利用采面推进前方卸压区增生的透气性，在卸压区煤体内打钻孔抽放瓦斯，可望取 得良好的抽放效果。 信息来源于：中国煤炭