特厚煤层综放工作面瓦斯抽放技术研究

特厚煤层综放工作面瓦斯抽放技术研究

淮北煤矿（集团）朱庄煤矿年生产能力为210万吨。井长约6公里，宽约5公里，面积约25公里。矿井绝对瓦斯涌出量达34.69m3/min,相对瓦斯涌出量达11.85m3/t。井田主采煤层为下石盒子组4和5煤层、山西组6煤层,平均总厚6.94m。当前开采的4煤层的最大绝对瓦斯涌出量13.54m3/min,最大相对瓦斯涌出量14.93m3/t,平均绝对瓦斯涌出量12.93m3/min,平均相对瓦斯涌出量14.26m3/t,Ⅲ4414工作面属高瓦斯工作面。下伏5煤层(与4煤层间距7.5～8.0m,5煤层平均厚2.8m)和上覆3煤层(3煤层岩浆岩和残留天然焦厚18～28m)在Ⅲ4414工作面回采过程中将受采动压力影响,其赋存的瓦斯将涌向采空区,两邻近层和围岩向采空区涌出的瓦斯量为2m3/min。Ⅲ54采区为该矿主采区,该采区绝对瓦斯涌出量为11.46m3/min,约占全矿井总涌出量的37.18%。Ⅲ4414工作面回采时的最大配风量已达到极限(800m3/min左右),采用风排只能解决3.2m3/min的瓦斯涌出量,剩余4.8m3/min的瓦斯通过采用采空区埋管和高位钻场相结合的综合瓦斯抽放方法加以解决,并取得了较好效果。1采空区煤层组成Ⅲ4414工作面位于三水平四采区下部轨道上山的左翼。该面右以Ⅲ4采区轨道上山为界,左至4煤层火成岩侵蚀区以及煤层变薄不可采区。上区段为Ⅲ4412工作面采空区,下区段为Ⅲ4416工作面采空区,顶部3煤层为岩浆侵蚀不可采区,下伏5煤层尚未开采。该面运输巷走向长520m,回风巷走向长560m,倾斜宽139m,运输巷顶板标高为-335—-360m,回风巷顶板标高-318—-336m,总体里段高外段低。该煤层结构复杂,平均煤厚2.3m,中段底板受岩浆侵蚀导致煤层中有1～2层岩浆岩,厚0.1～0.6m,煤层倾角为4～10°。该工作面煤层直接顶为灰、深灰色泥岩;块状、含植物化石,厚1.5～2.0m;其上为灰色砂质泥岩,厚度约3.0m;再向上依次为厚4.0～6.0m的细砂岩,厚1.5～4.0m的粉砂岩。底板为灰、深灰色砂质泥岩,厚度约2.0m;其下为细砂岩,灰白色,厚2.0～3.0m;再往下依次为灰、深灰色砂质泥岩,厚0～3.0m。2综合脉冲法的工作场所2.1工作面埋管抽放采空区抽放埋管位置直接影响到瓦斯抽放的最终效果,故在实施埋管之前要对其抽放位置进行合理设计,并找出最佳抽放位置。采空区埋管抽放最佳位置是指实施抽放时能有效地减少工作面的瓦斯涌出量,并满足安全生产需要的抽放位置。在Ⅲ4414工作面回风巷自切眼向外每15m设1处直径200mm的三通(接站立管),工作面每推进15m,利用2个站立管对采空区进行埋管抽放,如图1所示。设好三通后,对工作面正常回采进度进行考察,埋管抽放瓦斯体积分数均为5%～9%,但抽放浓度与站立管进入采空区距离有关,站立管进入采空区20m左右,抽放浓度明显上升,在20～30m时,抽放瓦斯体积分数基本稳定在8.5%左右。当站立管距离采空区26m左右时,抽放瓦斯体积分数高达10%以上,随着距离的增大,抽放瓦斯浓度逐渐变小,故最佳抽放位置为20～30m,如图2所示。2.2顶板垂直至高洞的脱轨和悬臂荷载1回风巷两侧钻场Ⅲ4414工作面回风巷长580余m,在回风巷每隔约100m施工1个钻场,共施工6个钻场,1号钻场距离开切眼100m,2号钻场距离1号钻场80m,在回风巷靠近回采煤层的一侧施工钻场。为了提高钻孔抽放利用率,钻场施工平台控制在煤层顶板5m以上,垂直于回风巷施工长5.6m的水平硐室,再以30°的角度斜向上掘进5.8m,如图3所示。2抽放瓦斯层位设计顶板走向高位钻孔主要抽放裂隙带、部分采空区以及受采空影响的上覆邻近层的瓦斯。裂隙带是邻近层瓦斯和冒落带瓦斯的主要聚集区,有大量高浓度瓦斯,同时裂隙发育充分,是抽放瓦斯的最佳层位。以2号钻场为分析对象,2号钻场共布置5个钻孔,钻孔终孔平距控制在距离回风巷20m范围内,相邻两钻场的钻孔超前交叉长度保持20～30m。根据模拟结果设计了3号钻场的钻孔参数,采空区冒落带设计高度为10m左右,裂隙带高度为13～25m,Ⅲ4414工作面基本顶初次来压步距为17m左右。随着工作面向前推进,裂隙带的高度也逐渐加高,当工作面推进到离切眼30m左右处,裂隙带高度设计为13～20m,确保了钻场的钻孔始终处于裂隙带的稳定阶段。3钻孔瓦斯流量观测为了提高钻孔的孔口负压,采取聚氨酯等材料对施工结束的抽放孔进行封孔。采用⌀133mm的钻头对施工的钻孔自开孔口向里扩孔,扩孔深度不小于5m,封孔时采用⌀108mm的无缝钢管作为孔内套管,套管上包上聚氨酯等封孔材料。当聚氨酯发泡时,将套管连同聚氨酯等封孔材料一同送入孔内,封孔长度不小于3m,聚氨酯凝固后,再用水泥、黄泥封堵。在Ⅲ4414工作面2号、3号钻场的抽放系统主管路上安装了涡节流量计和瓦斯、负压装置,工作面每推进10m,分别对单孔、钻场瓦斯流量及浓度进行观测,其观测数据分别见表1和表2。通过对表1和表2的数据进行分析,得到2号高位钻场瓦斯抽放效果曲线,如图4所示。3分辨率分析3.1稳定带的设立观察结果表明,Ⅲ4414工作面埋管最佳抽放位置是在距工作面20～30m的采空区,将这一范围称为稳定带。在稳定带内,采空区漏风量减弱,瓦斯涌出量大、浓度较高,抽放效果较好,抽放瓦斯体积分数可达7%～10%,有效防止了工作面瓦斯超限。3.2钻孔高度设计由图4可知,2号钻场中1,2,3号钻孔流量及浓度均较高,即钻孔终孔距工作面顶板13～23m处抽放效果较好,尤其2号钻孔的抽放效果最理想,即钻孔终孔距煤层顶板16m处。由此,可以推断出Ⅲ54采区4煤层顶板分层工作面顶板抽放裂隙带的高度为16～20m。通过对高位钻场钻孔的具体布置参数进行考察分析,基本摸清了Ⅲ54采区4煤层顶板分层瓦斯抽放的裂隙带高度分布为16～20m。采空区裂隙带高度的确定为Ⅲ4414工作面后面3个钻场的钻孔设计提供了依据,这3个钻场均按照终孔垂高为16～20m进行设计。抽放结果表明,该技术有效地降低了Ⅲ4414综采工作面的瓦斯涌出量,解决了该工作面上隅角瓦斯长期超限问题,使工作面在生产高峰时,上隅角瓦斯体积分数始终控制在0.4%左右,确保工作面的安全回采。