保德煤礦8號煤層瓦斯治理對策研究

1工作面布置特點寶德煤礦可采礦量為8.51億噸，主要開采層為8號煤層和11號煤層。目前正在開采的8號煤層位于山西組底部的S3砂巖之上,煤層總體為簡單型的寬緩背斜構造,煤層傾角3~9°,厚度2.15~10.39m,平均6.40m。礦井采用分區式通風,通風方法為抽出式。礦井自2002年生產以來,隨著產量增加和采掘工作面的延伸,礦井絕對瓦斯涌出量逐漸增大。已進入煤層瓦斯帶回采的工作面有88201,88202,88203綜采面,工作面屬于走向長壁工作面,沿8號煤層底板布置回采工作面,采用綜合機械化一次采全高采煤方法,全部垮落法管理頂板。采高為3.8~4.2m,上部1.5~2.0m以上的高灰煤直接遺留在采空區中。2工作面瓦斯產出量大,采空區瓦斯醫學性能差(1)工作面瓦斯涌出量主要來源于采空區,特別是相鄰采空區的瓦斯涌出量較大。88201工作面絕對瓦斯涌出量平均為19.81m3/min,其中采空區12.14m3/min,占61.28%;煤壁及落煤為7.28m3/min,占38.72%;88202工作面絕對瓦斯涌出量為27.48~57.71m3/min,平均為38.02m3/min。工作面瓦斯涌出構成為:采空區瓦斯涌出量為28.62m3/min,約占75.28%;煤壁及落煤瓦斯涌出量為9.04m3/min,約占24.72%;88203工作面回采過程中,平均絕對涌出瓦斯量21.65m3/min,其中,工作面涌出瓦斯7.25m3/min,占33.6%,采空區及鄰近層涌出14.40m3/min,占66.4%。(2)局部瓦斯積聚嚴重。特點是在工作面靠近回風巷十幾架液壓支架范圍內瓦斯容易超限,在工作面上隅角超限情況最為嚴重,影響工作面正常推進。保德煤礦8號煤直接頂為10m厚左右的泥巖,工作面走向長度為240m,采高4m。頂板垮落帶高度一般為15~20m,根據錢鳴高的關鍵層理論中強調的“O”形圈特征,可知支架后上方存在大量裂隙及空間為卸壓瓦斯流動通道并儲存瓦斯;另一方面煤層也較厚,支架頂部留有2m左右的高灰煤,大量的瓦斯隨煤層及頂煤破碎解吸后逸散并儲存到此空間,此空間的瓦斯濃度由下而上逐漸增大,垮落帶瓦斯體積分數一般在5%~25%,裂隙帶瓦斯體積分數在25%~50%。在頂板垮落及周期來壓時,由于頂板下沉及裂隙閉合,儲氣空間受到壓縮,釋放出大量高濃度的瓦斯,在礦井主要通風機負壓的作用下,靠近回風巷的十幾個液壓支架范圍內風流中瓦斯超限。另外,采空區積存的高濃度瓦斯在其上浮效應的作用下,從支架后部沿傾斜向上移動,使部分瓦斯到達上隅角并不斷逸散出來;同時上隅角又是采空區漏風出口處,漏風必將高濃度瓦斯帶出來,再加上工作面風流在上隅角處拐彎形成渦流,因而造成上隅角附近瓦斯易于積聚超限,并隨工作面瓦斯涌出量的增加而增大。(3)大氣壓力低于采空區原有氣體壓力時,采空區瓦斯大量涌出,造成外錯回風巷瓦斯超限。88203工作面外錯回風巷由于許多聯絡巷與88202采空區連通,且回風巷與采空區之間的隔離煤柱在礦山壓力的作用下已遭到破壞,裂隙增多。當外界氣壓變化到低于采空區氣體原有的壓力時,氣體由采空區向外涌出,即采空區瓦斯通過絡聯巷和煤柱裂隙涌向88203回風巷;當外界氣壓高于采空區氣體原有的壓力時,氣體由外部涌入采空區,即空氣由88203回風巷等地點通過聯巷和煤柱裂隙涌向采空區;當采空區內外氣體壓力達到平衡,瓦斯將不會在巷道和采空區運移。另外,在礦井全風壓作用下也會導致采空區瓦斯穩定地向外錯回風巷涌出。(4)綜采工作面相對瓦斯涌出量較小,絕對瓦斯涌出量較大。已采的3個工作面煤層相對瓦斯涌出量一般在2.2~2.4m3/t,鄰近煤層等瓦斯涌出占本煤層的10%左右,工作面相對瓦斯涌出量一般在2.5~5.0m3/t。由于礦井采用機械化開采,綜采工作面年產原煤達600萬t以上,工作面絕對瓦斯涌出量大部分時間在30~60m3/min,瓦斯治理難度大。(5)瓦斯含量梯度較為明顯,煤層透氣性較差,采用常規煤層瓦斯預抽方法難以抽放大量瓦斯,深部區瓦斯治理難度大。采用直接法與間接法測定了8號煤層瓦斯含量,8號煤層瓦斯含量W沿傾向的分布規律為:W=-0.0322H+26.4874,瓦斯含量梯度H為3.22m3/(t·hm-1)。瓦斯壓力P沿傾向的分布規律為:P=-0.0022h+2.053,瓦斯壓力梯度h為0.22MPa/hm。8號煤層瓦斯風化帶的下部邊界為底板標高+776m,瓦斯風化帶深度在170~230m。瓦斯含量較高區域的煤層底板標高在450~750m。煤層的透氣性系數為1.06~1.81m2/(MPa2·d)。鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.0131~0.0345d-1。百米鉆孔瓦斯極限抽放量為331.88~7747.76m3。3工作面開采,解決工作面瓦斯超標問題根據上述綜采工作面瓦斯涌出的特點,在8號煤深部區采取煤層鉆孔預抽綜采工作面煤層瓦斯的同時,應重點解決工作面回風流和上隅角處瓦斯超限問題,已采的工作面主要采用兩進兩回(其中一條為外錯回風巷)和采空區埋管抽放的方式解決。3.1均壓措施改革在88203工作面回采期間,88202采空區瓦斯(體積分數一般在70%以上)通過聯絡巷向88203外錯回風巷涌出嚴重,漏風量為20~40m3/min,在氣壓變化時,漏風尤為劇烈,造成外錯回風瓦斯極易超標。實踐中密閉表面采用了RG-15型“如鋼”牌快速密閉材料進行堵漏處理,基本不漏風。由于松動圈范圍大,雖對密閉前5m范圍內的巷壁采用了相同的方法進行封堵,加大了漏風距離,漏風雖有一定的減少,但松動圈漏風仍然較大。如果簡單地采用加大風量的方式,由于外錯回風巷兩端之間的風壓加大,采空區瓦斯涌出量將同步上升,很難達到降低瓦斯濃度的目的。應采用以下方式:(1)加大聯絡巷間距,減少聯絡巷個數。原聯絡巷間距為50m,如將聯絡巷間的距離增加到100m,則聯絡巷個數為原來的1/2,在其他因素相同的條件下,采空區涌出的瓦斯將為原來的1/2。(2)采取均壓措施抑制88202采空區瓦斯涌出。均壓措施一般為2種:一是采取采空區抽放的措施,對88202采空區瓦斯進行降壓。現場實踐中在88202回風巷安設2臺YD-6型移動式瓦斯抽放泵進行采空區抽放,使88202采空區的壓力與外錯回風巷壓力達到平衡狀態,采空區瓦斯盡可能少的涌向外錯回風巷。啟動抽放泵之前88203回風巷瓦斯體積分數達到4%~6%時,啟動后2h后降為0.60%。由于8號層是二級自然發火煤層,長期抽放,對自然發火不利,所以需要采取其他措施。另一方案是加壓。方法是在聯絡巷間隔一定距離施工兩道密閉(兩道密閉之間的距離要足夠大,以消除松動圈的影響),通過安設在回撤通道內的局部通風機向所有的聯絡巷兩道密閉之間控制供風,以實現兩密閉間封閉區域內的氣體壓力與對應位置的88202采空區氣體壓力相同,防止88202采空區瓦斯通過松動圈及密閉向外錯回風巷涌出。(3)加強密閉封堵的嚴密性來減少相鄰采空區瓦斯涌出。密閉表面漏風控制一般都較易實現,關鍵在于松動圈漏風很難處理,原有密閉表面密閉前5m范圍內的巷壁封堵仍采用原有方案,在加強封堵的同時也提高了均壓實施效果。一方面視地表漏風隨采深的變化情況,對采空區地表塌陷、裂隙進行堵漏,減少地表漏風。綜上所述,上述措施應合理地綜合應用,以達到最大限度地抑制相鄰采空區瓦斯涌出對工作面的影響,同時杜絕相鄰采空區自然發火事故的發生。3.2采空區可采取的抽放措施主要是設立頂板火炬根據國內已有的經驗,結合保德煤礦的實際情況,可采取的抽放措施主要有:頂板走向鉆孔抽放瓦斯、高抽巷抽放瓦斯、回風巷邊孔抽放瓦斯、采空區埋管抽放瓦斯。(1)保德煤礦上分層膠凝采用大功率的抽放泵可實現大流量的抽放,所抽放的瓦斯體積分數一般可在20%左右。根據保德煤礦的實際情況,所在的層位應在垮落帶上部(距支架頂部約15m處為宜)相距回風巷40m左右處為宜。缺點為工程費用高,長距離獨頭巖石巷道施工難度大。(2)綜采面巷道排水困難,管理困難,與高抽巷高度核算服務平臺?工程費用大,資優點是抽放裂隙帶高濃度瓦斯。缺點是直接頂為泥巖,工作面超前壓力大,所施工的措施巷通風困難且在綜采面超前壓力的作用下易冒頂;工程費用也較大,工程費用基本與高抽巷相當;管理不便;頂板走向鉆孔由于受抽放鉆孔及管路所限,抽放流量也較小,不能適應高產高效的需要。(3)回風道邊緣的孔被堆放回風巷邊孔抽放瓦斯的能力比較小,難以達到治理效果。(4)采動覆巖瓦斯堅持已采的綜采工作面采用了采空區埋管抽放,采空區埋管地點距離工作面50~100m,較好地解決了上隅角瓦斯超限問題及外錯回風巷瓦斯超限問題。綜采面日推進度平均在15m左右,推進速度快防止了埋管抽放引發采空區浮煤自燃問題。缺點是治理能力有限且不能有效解決工作面頂板冒落時靠回風側十幾臺支架間瓦斯超限問題。可見,采用高抽巷加采空區埋管抽放瓦斯為比較合理的選擇。3.3瓦斯溢出量的確定在相鄰采空區及工作面后方采空區的瓦斯,經非通風的措施得到有效治理后,工作面通風系統及其風量應根據剩余的瓦斯涌出量及涌出特點來確定。一般來說兩進兩回(其中一條為外錯回風巷)的形式比較簡便易行,且通風排瓦斯的能力比較大。保德煤礦綜采工作面風流有效斷面為15.5m2左右,工作面風量在2500~3000m3/min較為合適。由于工作面風量對上述的各種瓦斯治理措施均產生影響,應根據實際情況進行綜合試驗后確定。4工作面開采含瓦斯不高,且局部瓦斯無法下放出精神工傷(1)保德煤礦8號煤深部區綜采工作面瓦斯涌出主要為采空區瓦斯涌出,尤其是相鄰采空區瓦斯經過漏風形式對工作面通風系統影響較大,必須采取以均