特厚煤层综放开采瓦斯治理技术研究

特厚煤层综放开采瓦斯治理技术研究

目前，煤矿开采技术主要包括通风和采矿两大技术手段。对于高效化、高效化的综合开采来说，由于绝对砖瓦源的巨大数量，单一的砖瓦管理技术很难解决高差达2。为此,国内外研究人员对综放工作面瓦斯治理手段进行了探索,形成了“Y”型通风、“U+I”型通风、“U+L”型通风、“W”型通风、本煤层预抽、采空区抽放、高位钻孔抽放及高位巷抽放等多种技术手段。如何根据矿井开采地质条件,对上述瓦斯治理技术手段进行最佳组合,并采取一定的辅助性技术措施,使得综放工作面的瓦斯治理工作既能保障矿井安全生产,又能最大限度的降低生产成本,对于综放工作面真正实现高产高效有着重要意义。为此,以开滦某工作面为例,对综放工作面的瓦斯综合治理模式进行研究。1工作面瓦斯溢出量主要源开滦某矿是高瓦斯矿井,主采煤层厚度为5.67~6.50m,某工作面倾斜长240m,走向长1011m;采用走向长壁综合机械化放顶煤开采,顶板管理方法为全面冒落法管理顶板。上部煤层和下部煤层都比较薄,厚度只有0.3m左右,因此,工作面瓦斯涌出量主要来自开采层。该工作面的煤层瓦斯含量为15.87m3/t,绝对瓦斯涌出量为40~50m3/min,因此,在采空区内积存有大量高浓度瓦斯,给矿井安全生产带来严重威胁。2为应对群体噪声2.1采空区内部瓦斯治理方式对比国内外生产实践表明,在“U”型通风方式下,工作面上隅角瓦斯容易积聚,通过改变工作面的通风方式可以改变采空区内的气体流场,并最终有效减少上隅角瓦斯涌出量。目前,用于防治工作面上隅角瓦斯积聚的通风方式主要有“Y”型通风、“U+I”型通风和“U+L”型通风;其中,“Y”型通风需要沿空留巷,采矿工艺比较复杂。与“U+I”型通风方式相比较,在“U+L”型通风方式下,瓦斯排放巷能带走采空区深部瓦斯,从而降低采空区深部瓦斯浓度,特别是可以减少周期来压期间的瓦斯涌出浓度。因此,综放工作面利用“U+L”型通风方式治理瓦斯问题,在效果上明显好于“U+I”型通风;而且,在瓦斯管理和通风安全上更优于“U+I”型通风。该工作面属高强度机械化开采,瓦斯涌出量大,严重制约着工作面生产能力的正常发挥,只有充分发挥瓦斯排放巷排放采空区瓦斯的作用,才能保证高瓦斯工作面的安全生产。因此,综合考虑该煤层的地质条件及上述通风方式的优缺点,工作面通风方式应采用“U+L”型通风。2.2瓦斯抽放高度钻孔如果采空区瓦斯涌出量较大,仅仅采用通风或上隅角埋管抽放难以解决瓦斯超限问题时,高位钻孔抽放(又称钻场抽放)是一种不错的选择。高位钻孔抽放包括走向高位钻孔和倾向高位钻孔。该方法利用采动压力形成的裂隙作为通道来抽放邻近层和本煤层释放的瓦斯,进而改变采空区气体流场分布,从根本上解决上隅角瓦斯积聚和回风流瓦斯超限。在“U+L”型通风方式下,工作面回风巷外侧额外增加了1条专用瓦斯排放巷,可以从该巷道沿倾斜方向向采空区上方裂隙带内施工穿层钻孔进行瓦斯抽放,即为倾向高位钻孔。由于倾向高位钻孔施工相对简单,不用开掘抽放钻场,因此,该工作面瓦斯抽采选择倾向高位钻孔。根据经典的采空区上覆岩体“三带”理论,瓦斯抽放的具体施工设计如下:在2个联络巷之间(约50m)均匀布置4个钻孔,钻孔直接94mm,孔长120m,垂直煤壁,仰角14°。2.3加强工作面支护,完善瓦斯排放巷回风1)采用双切眼布置。在“U+L”型通风条件下,采空区部分高浓度瓦斯(可能超过2.5%)通过联络巷涌向专用瓦斯排放巷,该部分瓦斯需要采取措施稀释到许可范围内。山西焦煤西山煤电集团公司屯兰矿曾采用引入局部通风的方式对流入瓦斯排放巷的瓦斯进行稀释,但是,最终酿成特别重大瓦斯爆炸事故。因此,稀释该部分瓦斯,需要引入全风压通风。该工作面采用双切艰布置方案,第一切眼留设在工作面后部,该切眼与瓦斯排放巷相通,第二切眼与回风巷相通。瓦斯排放巷除了可以利用联络巷通风外,还可利用第一切眼通过全负压给瓦斯排放巷配风;从而,大大提高瓦斯排放巷的配风量,有效稀释瓦斯浓度,确保工作面安全生产。2)加强巷道支护。随着采煤工作面推进,后方的采空区面积随之增大,导致进入采空区的顶板垮落,造成采空区有效漏风断面降低,改变上隅角漏风方向及风量,进而引起回风巷回风流瓦斯浓度升高。因此,瓦斯排放巷通风首先要解决好瓦斯排放巷和上隅角采空区的支护问题。该工作面加强上隅角采空区支护的方法如下:每隔3~4m打1个方形木垛,增大漏风空间,在瓦斯排放巷侧的联络巷口里外各打1个方形木垛,加强对尾巷的支护,确保上隅角乏风能够顺畅的通过采空区后方联络巷进入尾巷。3)加强联络巷管理。工作面回采前,最里面的联络巷不封闭,其余所有的联络全部用薄木板进行严密封堵,并且四周抹黄泥防止漏风。随着采面的推进,联络巷相继进入采空区,待进入采空区1~3m后,可以打开,并关闭前1个联络巷。4)风量调控。在回风巷回风与瓦斯排放巷回风混合之前选点打2道调节风门,根据回风巷和瓦斯排放巷内的瓦斯浓度采用增阻法调节瓦斯排放巷与回风巷风量,把这2条巷道的回风瓦斯浓度控制在规定的范围内。综上所述,该工作面的最终瓦斯综合治理模式为:在“U+L”型通风方式的基础上,增设1个切眼和倾向高位瓦斯抽采钻孔,并采取措施调节回风巷和瓦斯排放巷的风量,如图1。3工作面瓦斯溢出模拟为掌握该瓦斯综合治理模式下的采空区瓦斯运移规律及其有效性,运用FLUENT软件对该回采工作面采空区瓦斯浓度分布状况进行数值模拟。一般来说,采空区进风巷侧为漏风源、回风巷侧为漏风汇,沿工作面煤壁瓦斯涌出很少;因此,假定采空区内没有热源、温度均匀,且渗透性在各方向上相同,采空区除了上下隅角、抽放钻孔、瓦斯巷与回风巷的联络巷道外没有其他出口;假定采空区底板有瓦斯涌出,涌出速度0.0076m3/s(根据该工作面瓦斯涌出情况计算得到)。模拟结果如图2、图3,x轴代表煤层走向,y轴代表煤层倾向,z轴代表与煤层底板垂直方向。由图2可以看出,2个高度瓦斯浓度分布趋势基本一致,在进风侧靠近工作面的采空区区域,由于漏入的是新鲜风流,将沿程瓦斯稀释并带走,所以该区域瓦斯浓度很小;由于瓦斯排放巷和抽放钻孔的存在,诱导含有瓦斯的风流通过这2个位置流出,阻止了采空区深部瓦斯向上隅角涌入,在很大程度上减小了采空区内部及工作面上隅角的瓦斯浓度,从而解决了上隅角瓦斯局部积聚的难题。而且,辅助切眼通入的风流有效稀释了瓦斯排放巷中的瓦斯浓度,使其达到了标准,为安全生产提供了保障。由图3可以看出,随着工作面推进,采空区的范围增大,在靠近切眼侧采空区煤岩压实程度较弱,孔隙率较大,空气风流速度也较大,瓦斯浓度也较低,随着采空区距离切眼距离增大,瓦斯浓度呈增大趋势。但是,当工作面风量、抽放量较大,对于上隅角瓦斯积聚的问题具有更好的缓解作用,同时也会使工作面新鲜风流大量漏入采空区;而且在采空区存在漏风源的条件下,较大的风量和抽放量势必造成瓦斯等有毒有害气体的涌入;对于易自燃煤层则会成为采空区自燃的重大隐患。因此,在具体实施过程中宜因地制宜,根据实际情况谨慎操作。4采空区瓦斯治理该工作面应用上述瓦斯综合治理模式开展了瓦斯防治工作,在该工作面开采期间,收集了各巷道的瓦斯浓度与风量及高位钻孔瓦斯抽放的浓度与流量,因篇幅有限,现选取其中一部分数据,并绘制出相应的变化曲线图,如图4。图4中,回风巷、瓦斯排放巷瓦斯浓度变化曲线采用的是主坐标轴,高位钻孔及工作面瓦斯涌出量变化曲线采用的是次坐标轴。由图4可知,这4条曲线的变化趋势基本一致,回风巷的瓦斯浓度在0.2%~0.4%,小于临界值1%;瓦斯排放巷的瓦斯浓度基本在1.5%~1.9%,小于2.5%;基本解决了工作面瓦斯超限问题。高位钻孔瓦斯抽放浓度基本稳定在25%~30%,大大降低了采空区高浓度瓦斯涌向回风巷和瓦斯排放巷的数量,有效缓解了这2条巷道的瓦斯防治压力。该工作面的瓦斯涌出量在40~50m3/min,与生产前的预测结果基本一致,工作面周期来压对瓦斯涌出量影响较大,在来压期间,瓦斯涌出量明显上升。5采空区表面瓦斯沉积的安全隐患1)该工作面的最终瓦斯综合治理模式为:在“U+L”型通风方式的基础上,增设一个切眼和倾向高位瓦斯抽采钻孔,并采取措施调节回风巷和瓦斯排放巷的风量。2)数值模拟结果表明,由于瓦斯排放巷和抽放钻孔的存在,诱导含有瓦斯的风流通过瓦斯排放巷和抽放钻孔流出,阻止了采