瓦斯伴随着煤炭生产并赋存于煤层中,主要成分为CH4,是有毒有害气体的总称,而且是矿井五大灾害的主要威胁之一[1].随着矿井开采深度的延伸,开采规模的不断提高,开采煤层的地质构造越来越复杂,瓦斯含量高、压力大,随之带来的瓦斯隐患和突出事故逐渐显现出来,如何解决矿井瓦斯涌出及突出成为高突矿井亟需解决的问题[2].汪家寨煤矿11#工作面瓦斯含量高,一直制约工作面的掘进,影响矿井的采掘接续,鉴于此,笔者就汪家寨煤矿瓦斯抽采技术进行研究,采取立体抽采瓦斯技术,降低工作面前方煤体瓦斯含量及压力为目的.

1 工作面概况

目前,汪家寨煤矿X41105运输巷位于斜四采南翼1360水平,北至X1360运输石门、南至斜四采新系统井筒保护煤柱线,地表为山坡耕地,在地表无建筑物.地表最大标高+1 964 m,最小标高+1 834 m;巷道上限标高+1 402 m,下限标高+1 369 m;与地表最大高差595 m.最小高差432 m.巷道倾斜上方有X40101,X40103,X40703,X41103工作面采空区,但是X41105运输巷未在其保护范围,该巷道在11#煤层中掘进,煤层厚度为6～8 m,平均倾角15°,煤层瓦斯含量为15.74 m3/t,瓦斯压力为2.023 MPa.顶板为深灰色泥质粉砂岩含丰富的动物化石及菱铁矿结核,厚度1.8～3.0 m,底板为褐色粘土岩及灰白色粘土质粉砂岩,工作面前方主要受F18断层,X40101,X40103,X40703,X41103工作面揭露的断层影响,伴生构造复杂,煤层受构造影响,煤层厚度及产状变化大.

但在相互交流中，学生发现，可以根据格子的累加来“设计”图形，1格+1格，只有长方形，1格+半格+半格，就可以有多种方式了，除了直角三角形、平行四边形、梯形以外，还可以拼成不规则图形（如图2）；如果是半格+半格+半格+半格，那么又可以拼成不同的图形（如图3）。

2 瓦斯抽采方法

降低突出煤层瓦斯含量,是防治煤与瓦斯突出的手段之一,在没有开采保护层可采的条件下,瓦斯抽采是最有效的防治煤与瓦斯突出危险性的手段,它以减少煤层瓦斯含量、降低煤层瓦斯压力为目的.通过合理的抽采瓦斯,不但能够防治煤与瓦斯突出,抽采的瓦斯可以用于民用及发电,为矿井创造经济效益[3].

瓦斯抽采分为预抽、临近层和采空区抽采,预抽又分为穿层钻孔条带抽采、顺层钻孔抽采及超前顺层抽采、地面长钻孔抽采和综合抽采[3].

2.1 穿层钻孔条带抽采

穿层钻孔条带瓦斯抽采是在突出煤层以外的岩石巷道或者非突出煤层巷道施工穿层钻孔[4],在X41105运巷掘进期间,在距11#煤层底板10 m法向距离外的岩层内施工X41105底板瓦斯巷,在瓦斯巷内施工穿层钻孔对其X41105运输巷工作面前方煤体瓦斯进行抽采(图1),降低X41105运输巷前方煤体瓦斯压力,减少煤层瓦斯含量,使该条带应力重新分布,增加煤层透气性,降低煤层的煤与瓦斯突出危险性[5],并且确保施工穿层钻孔超前于工作面100 m以上,确保有足够的时间预抽工作面前方煤体瓦斯,通过在X41105瓦斯巷施工穿层钻孔,使X41105运巷前方煤体瓦斯含量得到减小,瓦斯压力得到释放,在X41105瓦斯巷施工穿层钻孔,支管浓度在10%～20%之间,抽采瓦斯混量6～8 m3/min,抽采瓦斯纯量0.5～0.8 m3/min,通过此抽采方法,虽然瓦斯抽采效果不是很理想,但是破坏了煤层原始瓦斯含量及压力,使X41105运巷前方煤体瓦斯应力重新分布,增加了煤层的透气性,为下一步瓦斯治理提供了保障.

  

图1 穿层钻孔条带抽采瓦斯

  

2.2 顺层钻孔抽采

  

图2 顺层钻孔抽采瓦斯

X41105运巷在开门掘进时,在工作面进行区域效果检验时,由于单一的平面抽采效果不好,抽采时间长,在进行区域效果检验时,还存在轻微的喷塌孔现象,伴随着煤炮声等现象,区域效果检验结果值大部分在5～8 m3/t,残存瓦斯含量普遍还偏高;通过在X41105瓦斯巷施工穿层钻孔、X41105回巷钻场施工本煤层钻孔及施工超前钻孔等方法的综合措施后,瓦斯得到充分抽采,在工作面进行区域效果检验时,工作面前方效果检验孔无喷孔现象,偶尔出现煤炮声,区域效果检验结果均在3.5～5.6 m3/t之间,偶然个别钻孔残存瓦斯含量超过6 m3/t,通过继续抽采瓦斯后,残存瓦斯含量均在6 m3/t以下,为X41105运巷短时间消突提供了实际依据,如图4所示.

2.3 超前钻孔抽采

  

图3 顺层钻孔抽采瓦斯

3）开展固定资产投资项目节能评估与审查工作，加强项目源头节能管理。中国海油先后完成了对惠州炼化二期、恩平23-1油田群总体开发等30多项重大建设项目节能评估报告的审查工作，共提出修订意见576项，节能措施215项，发现节能量47×104t标煤，强化了项目可研和设计阶段对节能技术应用和能耗状况的审查，做到了节能管理“关口前移”。

X41105运巷在开门掘进时,停头在工作面迎头施工超前钻孔对工作面前方煤体瓦斯进行抽采,在打钻过程中,时常出现喷孔、塌孔现象致使打钻进度慢,每个小班施工40 m左右,迎头钻孔施工完成需要10 d左右,瓦斯抽采浓度连抽时浓度不高,钻孔塌孔严重,钻孔孔隙率低,钻孔被堵塞,瓦斯浓度下降很快,瓦斯抽采量小,抽采效果不好,瓦斯抽采时间长,抽采范围抽采达标时间需要25～35 d之间;采用多种方式同时抽采工作面前方煤体瓦斯时,无论从打钻进度及瓦斯抽采效率都明显得到提高,多种方式抽采瓦斯,增加了煤层的透气性及孔隙率[7],从打钻过程中,有微微的喷孔现象,但是打钻进度已经提高了近2倍,由原来的40 m提高到100 m,打钻时间只需要4 d,并且瓦斯抽采浓度持续时间长,是以前的3～5倍,抽采效果好,抽采范围抽采达标时间需要10～15 d之间,为X41105运巷短时间消突提供了理论依据.

3 效果对比

3.1 打钻进度及抽采瓦斯上对比

式中： m3——秤量程，0～150 t；m0——单个传感器量程，0～40 t；μ——传感器平均灵敏度，取2 mV[1]。

3.2 从区域效果检验上对比

  

图4 单一抽采效果与立体抽采效果的残存瓦斯含量对比

在X41105运巷掘进前,X41105回巷已超前运巷200 m,X41105工作面的倾斜长度为85 m,为了提高X41105运巷前方煤体瓦斯抽采量,在X41105回巷每隔30 m施工一个钻场,钻场内施工顺层钻孔对X41105运巷前方煤体瓦斯进行抽采(图2),目的是降低煤层瓦斯含量及缓解煤体瓦斯应力,从而达到防治煤与瓦斯突出的效果[6],弥补穿层钻孔在打钻过程中存在的盲区,使工作面前方煤体瓦斯得到充分抽采,通过此方法抽采X41105运巷前方煤体瓦斯,进一步降低了煤层的瓦斯含量及压力,在X41105回巷施工钻孔抽采X41105运巷前方煤体瓦斯,X41105回巷钻场支管瓦斯浓度在25%～35%之间,抽采瓦斯混量5～6 m3/min,抽采瓦斯纯量1.2～2.0 m3/min,最大抽采瓦斯纯量达到2.5 m3/min,为X41105运巷掘进工作面消突奠定了基础.

在X41105运巷掘进期间,在巷道两帮开设钻场,在钻场内施工超前钻孔或者在迎头施工超限钻孔对工作面前方煤体瓦斯进行抽采,在巷道两帮开设钻场,在钻场内施工8个超前钻孔,孔深80 m,控制巷道前方两帮15 m的范围及巷道前方60 m的范围,使X41105运巷掘进前方煤体瓦斯得到充分抽采,同时,当X41105回巷掘至X41105返运巷时,在X41105返运巷迎头施工超前钻孔6个对X41105运巷前方煤体瓦斯进行抽采,钻孔深度120 m(图3),通过施工超前钻孔对X41105工作面前方煤体瓦斯进行抽采,X41105运巷钻场分支管浓度达到20%～30%之间,抽采瓦斯混量4～6 m3/min,抽采瓦斯纯量1～2 m3/min,X41105返运巷迎头分支管浓度达到30%～40%之间,抽采瓦斯混量3～5 m3/min,抽采瓦斯纯量0.9～1.5 m3/min, X41105运巷消突提供了保障.

[3]陆张维,徐丽华,等.基于GIS的中心城区建设用地适宜性评价-以浙江省杭州市为例[J].江苏农业科学,2016(6):488-492.

3.3 从区域验证上对比

  

图5 单一抽采效果与立体抽采效果的区域验证对比

工作面在开门掘进期间,验证值在0.38～0.72 mL/(g·min1/2),当验证值大于0.5 mL/(g·min1/2)时,根据现场情况在迎头施工卸压钻孔或者超前钻孔,在施钻过程中,工作面迎头不同程度出现响煤炮及喷孔现象,在放炮过程中,瓦斯涌出有异常的情况,炮后瓦斯浓度时常0.6%～0.9%之间,瓦斯治理工作难度大,防突压力大,掘进进尺在20 m/月,最高时达到30 m/月,工作面时常停头治理瓦斯.通过在X41105瓦斯巷施工穿层钻孔、X41105回巷钻场施工本煤层钻孔及施工超前钻孔等方法的综合措施后,瓦斯得到充分抽采,工作面进行区域验证时,验证值均在0.30～0.45 mL/(g·min1/2)之间,当区域验证至超过0.45 mL/(g·min1/2)时,在工作面验证钻孔周边施工直径为100 mm的卸压钻孔,目的是使前方煤体瓦斯得到释放,防止放炮时瓦斯涌出造成瓦斯超限,因此,在工作面放炮过程中,炮后瓦斯浓度均在0.40%～0.66%之间,偶尔出现瓦斯超限时,立即停止掘进,在工作面迎头全断面施工卸压钻孔对其前方煤体瓦斯进行释放[8],钻孔控制范围为工作面前方10 m,巷道顶板外3 m及巷道轮廓线外3 m的范围,通过瓦斯卸压后,掘进进尺由20 m/月提高到60 m/月,最高进尺达到85 m/月,保障了工作面的提前贯通,缓解了采掘接替紧张的局面,如图5所示.

4 结论

1)从立体空间上抽采煤层瓦斯,在同等时间内增加瓦斯抽采量,可以提高瓦斯抽采率,使工作面在短时间内真正做到消突,同时抽采高浓度瓦斯得以发电及民用,减少瓦斯排放套空气中造成污染.

2)采取多种瓦斯治理手段并用已成为瓦斯治理的必备措施,工作面提前消突,提高了掘进进度,缓解了采掘工作面的采掘接续,为相似瓦斯治理工程提供了参考.

参考文献:

[1] 袁亮.低透高瓦斯煤层群安全开采关键技术研究[J].岩石力学与工程学报,2008,24(7)：1370-1379.

[2] 张新建,王硕,张双全,等.大采高长工作面三级瓦斯抽采模式研究[J].煤炭科学技术,2013,41(3)：62-64.

[3] 王春光,张旭东.深部煤矿开采瓦斯综合治理技术研究[J].煤炭科学技术,2013,41(8)：11-14.

[4] 汪有清.底抽巷上向穿层钻孔抽放远程卸压瓦斯技术研究[D].淮南:安徽理工大学,2006.

[5] 徐超杰.上保护层开采条件下卸压瓦斯抽采技术研究[D].淮南:安徽理工大学,2015.

[6] 谢雄刚,李希建,余照阳.顺层钻孔预抽突出煤层瓦斯技术研究[J].煤炭科学技术,2013,41(1)：78-81.

[7] 王辉.低透气性煤层瓦斯抽采技术研究与应用[J].能源技术与管理,2013,38(4):39-40.

[8] 王凯,郑吉玉,夏威,等.工作面采动煤体卸压增透效应研究与应用[J].煤炭科学技术,2014(6):65-70.