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无煤柱开采工作面沿空留巷瓦斯综合治理技术研究

2025-02-11 56 上传者：管理员

摘要：为解决Y型通风条件下工作面沿空留巷瓦斯浓度易超限的问题，以寺河煤矿二号井97312工作面为研究对象，结合沿空留巷漏风情况分析工作面瓦斯涌出规律，提出以顶板高位钻孔抽采为主、采空区埋管抽采为辅，同时加强沿空留巷漏风管理以减少巷道漏风率、调整主辅进风巷巷道配风比的瓦斯综合治理技术方案。现场应用表明，采取瓦斯综合治理技术后，沿空留巷瓦斯浓度均未超限，97224巷瓦斯涌出量占比下降了9.8%，沿空留巷瓦斯综合治理效果较好。

关键词：
无煤柱开采
沿空留巷
瓦斯治理技术
采空区埋管
高位钻孔抽采
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切顶卸压自成巷无煤柱开采技术具有优化围岩应力､无需留设煤柱､降低掘巷量等诸多优势[1]｡相对于U型通风,切顶卸压成巷采用Y型通风模式后,解决了上隅角瓦斯积聚的问题[2]｡但往往由于矿压作用,使得沿空留巷挡矸墙变形较为严重,产生裂隙,使得采空区处于“敞口”状态,改变了采空区内的流场分布[3],增大了沿空留巷的瓦斯治理难度｡

为解决无煤柱开采工作面采空区日益严峻的瓦斯问题,众多学者对瓦斯治理技术开展了大量研究｡崔鹏飞等[4]针对工作面煤体瓦斯含量高､高强度开采易造成回风隅角和回风巷瓦斯超限等问题,提出了综合瓦斯治理方法及工艺｡郭艳飞等[5]采取示踪气体法,分析了沿空留巷及Y型通风条件下采空区漏风及瓦斯运移规律,并结合抽采浓度及流量变化,分析了高位巷瓦斯抽采特征及影响因素,提出了针对性优化措施｡王秀峰等[6]针对近距离突出煤层群面临的消突与工作面瓦斯超限问题,提出了合理选择保护层开采､布置底板预抽､实施高位钻孔､工作面采用Y型通风和应用无煤柱开采等技术,最终形成近距离突出煤层群瓦斯综合治理体系｡目前,对于Y型通风条件下采空区漏风及瓦斯运移规律的成果较为丰富,但鲜有Y型通风条件下沿空留巷瓦斯超限治理相关研究｡

本文以晋能控股装备制造集团有限公司寺河煤矿二号井(下文简称“寺河煤矿二号井”)97312无煤柱开采工作面瓦斯治理为工程背景,开展Y型通风方式下沿空留巷瓦斯抽采技术研究,研究成果对无煤柱开采工作面沿空留巷瓦斯治理具有重要意义｡

1、工作面概况

97312工作面位于寺河煤矿二号井二水平九七盘区｡工作面平均采高1.65m,倾斜长度220m,走向长度1062m｡原煤瓦斯含量达6.71m3/t,绝对瓦斯涌出量预测为15.22m3/min｡该工作面采用切顶沿空留巷技术,为无煤柱开采工作面,回采巷道采用“两进一回”布置｡97312工作面巷道布置图,如图1所示,工作面采用Y型通风方式,97222巷为主进风巷,97224巷为辅助进风巷,污风经97224巷沿空留巷段后由97313切眼排出｡

图197312工作面巷道布置图

2、沿空留巷瓦斯治理技术

2.1沿空留巷瓦斯涌出分析

2.1.1漏风测定

在现场考察中发现,在矿压作用下,巷道易变形而在挡矸墙上产生裂隙,裂隙集中在挡矸墙与顶板之间､喷浆不实处,这些地方均有明显漏风现象｡漏风导致沿空留巷与采空区之间连通,增加了沿空留巷瓦斯超限的风险｡

(1)基本原理

示踪气体技术通常指运用在环境中注入极少量的示踪气体,这种气体应是常规工况条件下不存在的气体｡SF6是煤矿井下漏风检测中常用的示踪剂[7]｡本文采用SF6示踪气体法对97224巷与97222巷沿空留巷风量进行测定｡

(2)测点布置

漏风方式分为负压与正压漏风,负压漏风为采空区向巷道内漏风,正压漏风为巷道向采空区内漏风｡SF6释放点与采样点间距L按式(1)确定,为保证SF6在巷道内充分扩散,现场测试取L=30m｡

图2(a)为沿空留巷正压漏风测点布置示意图,在97224巷沿空留巷内每隔30m布置1个SF6气体释放点,SF6气体接收点布置在97313切眼距离97224巷30m处;97222巷沿空留巷内SF6气体释放点间距与97224巷相同,SF6气体接收点布置在97312工作面距离97222巷30m处｡图2(b)为沿空留巷负压漏风测点布置示意图,SF6气体释放点分别位于97312工作面前实体煤处,在沿空留巷内每隔30m布置1个SF6气体接收点｡

图2测点布置示意图

(3)测试结果

97224巷与97222巷沿空留巷段风量变化,如图3所示｡

图3测定结果

从图3(a)可以看出,相较于初始风量,风流在经过97224巷沿空留巷段时,分别在距离97312工作面200､400m处,出现2段风量下降趋势,这是因为现场为治理沿空留巷在距离97312工作面200､400m处安装了瓦斯抽采系统,受瓦斯抽采影响致风量下降,其他区段风量呈上升趋势,在靠近工作面处漏风最为严重｡从测试结果看,97224巷沿空留巷出现大范围的负压漏风,即漏风流由97312采空区进入到97224巷沿空留巷内,而现场的瓦斯抽采系统在一定程度上减缓了负压漏风｡

从图3(b)可以看出,97222沿空留巷段风量持续减小,为正压漏风,即97222巷沿空留巷内的漏风向采空区运移｡采空区瓦斯难以涌出至97222巷道内,97222沿空留巷段瓦斯涌出主要来源于煤壁｡

2.1.2瓦斯涌出量测定

Y型通风工作面挡矸堵漏墙漏风流瓦斯涌出量示意图,如图4所示,Y型通风工作面瓦斯总涌出量[8]

图4Y型通风工作面挡矸堵漏墙漏风流瓦斯涌出量示意图

在瓦斯治理前,分别位于A､B､C这3点测试其风量与瓦斯浓度,计算得到对应位置的瓦斯涌出量,如表1所示｡

表1瓦斯治理前瓦斯涌出量测试

从表1可以看出,97312工作面瓦斯主要来自工作面落煤与采空区瓦斯涌出,即Q2,占比为46.5%;来自97224巷的瓦斯涌出量较大,Q3占比为40.1%,这部分瓦斯涌出一部分来自于实体煤,另一部分来自于采空区漏风,根据漏风测定结果可知,97224巷沿空留巷主要为负压漏风,采空区漏风流携带瓦斯向巷道运移;而97222巷瓦斯涌出占比仅13.6%,这与2.1.1节所测97222巷整体为正压漏风相印证,表明正压漏风对于沿空留巷瓦斯防治有利｡

2.2沿空留巷综合瓦斯治理措施

为缓解沿空留巷内瓦斯压力,采用多种方法对巷道内瓦斯进行综合治理｡

(1)加强巷道维护

97224巷瓦斯浓度高主要是受沿空留巷漏风影响,因此加强沿空留巷段巷道管理,一方面沿空留巷采用以“切顶卸压+锚索补强支护”为主体的思路,通过预裂切缝爆破,切断工作面顶板应力传递,减小来自巷道顶板的压力,利用锚索进行补强加固,使所留巷道围岩能最大限度发挥自身承载作用,减小巷道变形,保证留巷效果｡另一方面加强对沿空留巷的巡查,及时封堵漏风裂隙,有效减小漏风,进而减小由采空区进入沿空留巷内的瓦斯量｡

(2)调整配风比

减小主､辅进风巷配风比,增加97224巷辅助进风量,调整主辅进风巷配风比为1∶1,利用更多的新鲜风稀释进入97224巷沿空留巷内的瓦斯,可以在一定程度上降低巷道内的瓦斯浓度｡本文在调整前,97222巷进风量为1247m3/min,97224巷进风量为688m3/min;调整配风比后,97222巷进风量为1252m3/min,97224巷进风量为1205m3/min｡

(3)顶板高位钻孔抽采

缓解用于回风的沿空留巷内瓦斯超限问题需从源头治理,97224巷沿空留巷段瓦斯一方面来自于97312采空区,另一方面来自97312工作面,新鲜风冲刷97312工作面后也含有一定瓦斯,因此,采用顶板高位钻孔抽采瓦斯技术治理工作面回风隅角瓦斯,减小进入97224巷风流中的瓦斯浓度｡高位钻孔主要是通过对围岩或采空区瓦斯进行抽采,在上邻近层瓦斯向采空区运移时进行拦截,从而解决上隅角和回风流瓦斯超限的问题[9]｡通过对采空区瓦斯进行抽采,现场在97224巷共设计施工21个钻场,钻场间距50m｡钻场设计大小为上底长3m､下底长6m､钻场深3m的直角梯形｡

在97224巷从钻场向工作面上隅角方向打扇形顶板穿层钻孔,分上下2层共布置14个钻孔,下层钻孔开孔高度1.5m,上下层间距0.5m,钻孔直径准113mm,采用注浆封孔,封孔长度不小于4.5m｡

(4)采空区埋管抽采

在沿空留巷段内埋管抽采97312采空区内瓦斯,可以降低采空区内瓦斯浓度,同时可以在采空区内形成一定负压区域,减小97224巷的负压漏风｡

现场在97313切眼靠97224巷侧施工砖墙,并在砖墙上埋设2根D457PE管,回采期间,将D457管通过风筒与巷道埋设在挡杆墙上的D457PE管连接,在97224巷尾抽采97312采空区内瓦斯;每50m在挡矸墙上设1个D108钢管,随工作面推进,根据现场情况约每200m间隔连接抽采管路,抽采97312采空区内瓦斯｡

3、瓦斯治理效果分析

3.1治理后瓦斯浓度测定

在采取沿空留巷瓦斯治理措施后,分别对97224巷沿空留巷段距离97312工作面300m和600m､工作面回风隅角处瓦斯浓度进行了测定,实测瓦斯浓度,如表2所示｡各测点瓦斯浓度均未超限｡说明沿空留巷瓦斯治理措施具有较好的效果｡

表2现场实测瓦斯浓度

3.2治理前后瓦斯涌出量分析

绘制出不同时间下各处瓦斯涌出量Q1､Q2､Q3占比,如图5所示｡

图5不同时间瓦斯涌出量

从图5可以看出,在工作面落煤､采空区瓦斯涌出和97224巷瓦斯涌出,即Q2+Q3是工作面瓦斯总涌出量主要来源,这是因为97222沿空留巷段为正压漏风,97311采空区内气体难以进入97222巷内,瓦斯涌出主要来源自煤壁,占比较小;97224巷主要为负压漏风,97312采空区内部分气体进入到采空区后,与采空区遗煤释放的部分瓦斯气体通过挡矸堵漏墙裂隙进入到97224巷内,随着97312工作面推进,97224巷沿空留巷段逐渐延长,97224巷沿空留巷挡矸墙瓦斯涌出占比随时间增加而增大｡需要指出的是,在生产过程中,97224巷沿空留巷瓦斯治理始终保持高位钻孔抽采和97224巷尾处对97312采空区的瓦斯抽采;2023年2月16日测试时,新增了采空区埋管抽采措施并调整了配风比,因此Q2+Q3瓦斯涌出量占比有所下降,测得Q3占比下降9.8%,可见沿空留巷瓦斯综合治理措施具有显著效果｡

4、结语

(1)结合沿空留巷段漏风与工作面瓦斯涌出情况,分析了97222巷与97224巷瓦斯涌出规律,97224巷沿空留巷段主要为负压漏风,瓦斯问题较为严重,需加强瓦斯治理｡

(2)提出了寺河煤矿二号井无煤柱开采工作面沿空留巷瓦斯综合治理方案:①加强巷道维护,控制沿空留巷漏风;②调整主､辅进风巷配风比为1∶1,降低沿空留巷内瓦斯浓度;③通过顶板高位钻孔抽采控制工作面回风隅角瓦斯浓度;④采空区插管抽采控制沿空留巷瓦斯浓度｡

(3)治理后97312工作面回风隅角瓦斯浓度为0.17%,97224巷沿空留巷段距离97312工作面300m处巷道瓦斯浓度为0.20%,600m处瓦斯浓度为0.30%,同时97224巷沿空留巷段瓦斯涌出量占比下降9.8%,瓦斯治理效果较好｡

参考文献:

[1]何满潮,宋振骐,王安,等.长壁开采切顶短壁梁理论及其110工法———第三次矿业科学技术变革[J].煤炭科技,2017(1):1-9,13.

[2]杜云飞.切顶卸压留巷Y型通风模式下采空区漏风特性研究[D].焦作:河南理工大学,2018.

[3]沙慧慧.无煤柱工作面搬迁过渡期合并采空区瓦斯积聚区分布规律[D].阜新:辽宁工程技术大学,2023.

[4]崔鹏飞,陈向军,李新建,等.成庄矿4321工作面瓦斯治理技术研究[J].煤炭技术,2022,41(11):143-147.

[5]郭艳飞,李学臣,郝殿.沿空留巷下综放工作面采空区瓦斯运移及抽采特征研究[J].煤炭工程,2022,54(5):104-108.

[6]王秀峰,韩真理,杨秀科,等.中岭煤矿近距离突出煤层群瓦斯综合治理技术实践[J].煤矿安全,2016,47(8):151-154.

[7]唐德馨,秦汝祥,朱玉.基于顶板裂隙条件下采空区漏风及瓦斯运移路径的研究[J].煤炭技术,2019,38(6):121-123.