車集礦井瓦斯涌出異常段的成因分析及防治措施

車集礦井瓦斯涌出異常段的成因分析及防治措施

車輛集中礦區(qū)位于河南省永城礦區(qū)，設(shè)計生產(chǎn)能力為180萬噸a，于1999年完成。礦井采取兩翼對角式通風,大巷標高-550m。礦井瓦斯總體涌出量偏低,歷年來瓦斯等級鑒定結(jié)果均為低瓦斯礦井。礦井先后在21,22,23,24,25,26,27采區(qū)進行采掘活動。目前,21和22采區(qū)已回采完畢,23,24,25采區(qū)正在生產(chǎn),26和27采區(qū)處于開拓準備階段。隨著采深逐步加大,瓦斯涌出量有逐步增大的趨勢,但瓦斯涌出量在各區(qū)段相差較大,在時間和空間上表現(xiàn)出很大的不均衡性?？傮w來看,礦井瓦斯涌出異常區(qū)呈現(xiàn)出明顯的帶狀或塊狀分布。上山開采區(qū)的21,22,25采區(qū)基本無瓦斯涌出。下山開采區(qū)的23,24,26,27采區(qū)瓦斯涌出量明顯增大,然而2301,2305,2411,2412,2407,2413等工作面掘進時瓦斯涌出量達0.8～1.0m3/min,2301,2305,2411工作面采煤時瓦斯涌出量則達到8～10m3/min,將以上區(qū)域統(tǒng)稱為瓦斯涌出異常區(qū)。但在23和24采區(qū)某些區(qū)段的工作面瓦斯涌出量很小,2301和2305采掘工作面甚至無瓦斯涌出。瓦斯涌出量在時間上也具有較大的不均衡性,在瓦斯涌出異常區(qū)表現(xiàn)為掘進時放炮后10～20min瓦斯涌出量可達到正常涌出量的4～5倍,綜采工作面割煤時瓦斯涌出量達到正常時的1.5～2倍。1采礦車集特點1.1淺部煤體瓦斯賦存特征根據(jù)礦井投產(chǎn)后各采掘工作面揭露煤體的實際瓦斯涌出量統(tǒng)計,結(jié)合地質(zhì)勘探精查階段的鉆孔資料瓦斯煤樣分析,能夠清楚地看到車集煤礦井田淺部煤體瓦斯賦存很低的原因:瓦斯井田煤層中已開采的二2煤層,盡管其上部被巨厚的新生界底層覆蓋,但在接近煤層露頭的淺部(-550～-600m水平以上)仍然遭到瓦斯風化帶作用,瓦斯大量逸出,瓦斯賦存維持在一個很低的水平(表1)。1.2井深-550-600m-600m的磚瓦賦存規(guī)律車集煤礦在-550m水平大巷以下出現(xiàn)瓦斯異常區(qū),總體上瓦斯含量隨深度增加而增加,但瓦斯梯度并不明顯。1.2.1煤系瓦斯富集帶對井田范圍內(nèi)二2煤層勘探期間的瓦斯鉆孔取樣的瓦斯含量進行分析,車集礦井田深部(-550m水平以下)存在有2個瓦斯富集帶。第一富集帶在3—7號勘探線之間。在這個帶內(nèi)405號孔(煤層底板標高-655.86m)瓦斯含量達14.49cm3/g。第二富集帶在10—18號勘探線之間,在這個帶內(nèi)瓦斯含量最高點為1028號孔(煤層底板標高為-901.37m),其瓦斯含量達13.37cm3/g。瓦斯含量在6～8cm3/g的鉆孔也有6個。1.2.2車集礦井深部瓦斯賦存狀態(tài)2004年以來2301,2305,2411,2413工作面在掘進回采過程中的瓦斯涌出也驗證了車集礦井田深部瓦斯賦存的局部富集性及與埋深相關(guān)的瓦斯梯度的復雜性。上述已回采和正在回采的工作面均為走向長壁布置,回風巷和運輸巷的標高變化幅度不大,巷道中間沒有受到大的地質(zhì)構(gòu)造影響,但同一條巷道在掘進過程中瓦斯涌出量變化較大(表2)。1.3地質(zhì)構(gòu)造對磚瓦礦床的開采有很大影響車集煤礦地質(zhì)條件相對復雜,地質(zhì)構(gòu)造較多,對瓦斯賦存量有明顯的影響。1掘進時煤厚增加強度煤層厚度的變化對瓦斯賦存有一定影響,當煤層明顯變厚時瓦斯涌出量也明顯變大。例如在2301探巷掘進28m時煤厚突然由2.1m變?yōu)?.5m,掘進時炮后瓦斯突然增大;2308一聯(lián)絡(luò)巷掘進23m時煤厚突然由2.3m變?yōu)?.8m,掘進時炮后瓦斯突然增大。2同相布多采區(qū)瓦斯含量極低的地區(qū)火成巖的影響主要表現(xiàn)在2方面,一方面是沿走向展布的火成巖墻導氣性弱,使深部瓦斯不易向外擴散,而在巖墻附近富集。如南翼采區(qū)大巷沿走向展布的火成巖墻上部的21和25采區(qū)瓦斯含量極低,而位于火成巖墻下部的23和27采區(qū)瓦斯含量大幅度增加,且靠近火成巖墻區(qū)域的瓦斯含量高于其下部相鄰地區(qū)。另一方面在火成巖附近的煤體受火成巖作用煤的變質(zhì)程度增高,因而煤層中瓦斯含量也增高,例如靠近礦井火成巖墻的405號鉆孔瓦斯含量高達14.49cm3/g。3瓦斯含量高車集礦井田內(nèi)斷層較為發(fā)育。斷層對附近煤層瓦斯含量的影響表現(xiàn)為:封閉性斷層附近的瓦斯含量升高,如2301二聯(lián)絡(luò)巷上段揭露的一條斷層附近出現(xiàn)瓦斯,而其周圍煤層則無瓦斯涌出。開放性斷層因其導通性而使煤層瓦斯容易排放,從而使斷層附近瓦斯含量降低,如2410回風巷揭露的一條走向斷層,其斷層兩側(cè)附近瓦斯明顯低于其他地方。1.4煤體瓦斯含量不均衡,導致瓦斯流動煤體和圍巖的透氣性對煤層瓦斯含量有重大影響。車集煤礦煤層頂?shù)装鍘r層在無構(gòu)造的情況下透氣性差,在煤層透氣性差的區(qū)段,煤體中瓦斯不易流動,造成瓦斯含量很不均衡。如在2405,2410,2412采煤工作面都發(fā)現(xiàn)有寬度不等的區(qū)段(區(qū)段之間無構(gòu)造隔開)炮眼中瓦斯?jié)舛扰c相鄰區(qū)段相差幾十倍,在此區(qū)段放炮時瓦斯涌出量遠遠高于其他區(qū)段。2車輛集中堡開采技術(shù)的探討2004年以來,先后在23,24,27采區(qū)的瓦斯涌出異常區(qū)段,結(jié)合現(xiàn)場實際逐步摸索了一套行之有效的瓦斯治理技術(shù)。2.1煤炭通道底板技術(shù)1瓦斯溢出量的觀測一方面可通過礦井地質(zhì)資料來了解瓦斯涌出量,另一方面,通過瓦檢工對炮眼內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊臋z查結(jié)果來預測瓦斯涌出量的變化,在現(xiàn)場采取相對應的措施。2旋式風機掘進瓦斯在已發(fā)現(xiàn)的瓦斯涌出異常區(qū)段,推廣高效對旋式風機,掘進工作面風量超過200m3/min,使煤體涌出的瓦斯得到充分稀釋,防止因供風不足導致掘進期間瓦斯超限問題。31提高局部通風機的可靠性在-550m水平以下煤巷掘進工作面和有可能揭煤的巖巷掘進工作面全部配備并實現(xiàn)了“雙風機雙電源自動倒臺”和“三專兩閉鎖”。4分次放炮或減少循環(huán)進尺方法①分次放炮和減少循環(huán)進尺。瓦斯涌出異常區(qū)段煤巷掘進工作面(實行全斷面一次起爆),在配足風量的情況下,若放炮后回風流瓦斯體積分數(shù)仍接近1.0%時,必須采用分次放炮或減少循環(huán)進尺方法來控制瓦斯涌出量。這2種方法可單獨使用也可結(jié)合使用,以放炮后回風流瓦斯最高體積分數(shù)不超過1.0%為準。②放炮前打瓦斯釋放鉆孔。瓦斯涌出異常區(qū)段煤巷掘進工作面,在采取上述措施仍不能滿足要求時,可在工作面放炮前打釋放鉆孔,一般孔深4～8m,沿斷面布置3～4排,每排3～4孔;至少釋放2h才可放炮,這樣可以降低放炮時瓦斯涌出的不均衡性。此方法在2305回風巷、2412運輸巷、27采區(qū)運輸下山及回風下山使用。使用情況見表3。2.2瓦斯溢出強度大,不均衡性自2004年以來,車集煤礦布置的綜采工作面大都處于瓦斯涌出異常區(qū)段,而且綜采工作面推進速度快,致使生產(chǎn)過程中瓦斯涌出的強度及不均衡性顯著增大。根據(jù)采煤工作面瓦斯涌出的規(guī)律,在瓦斯涌出異常區(qū)段采取“排、堵、抽”等綜合治理技術(shù)措施,保障工作面的安全生產(chǎn)。1發(fā)揮風力和水流的出口作用在瓦斯涌出異常區(qū)段,按工作面配風的最高標準配足風量,同時合理地調(diào)整工作面風量和風流的流向,排出并稀釋工作面涌出的瓦斯。瓦斯涌出異常區(qū)段的采煤工作面,在初期瓦斯涌出較小時配風量為600～800m3/min,隨著工作面瓦斯涌出量不斷加大,配風量逐步增加到1100～1300m3/min。2掛風障,增加工作面采空區(qū)瓦斯排放采煤工作面在基本頂初次來壓期間,工作面增加風量效果不佳。在2305工作面和2411工作面基本頂初次來壓期間實施了對采空區(qū)瓦斯集中排放的方法,保障了工作面的安全生產(chǎn)。排放時在工作面下部、中部和上部分別或同時吊掛風障,增加工作面采空區(qū)的過風量和過風深度,使采空區(qū)的部分高濃度瓦斯集中排出(在排放瓦斯期間工作面回風系統(tǒng)全部停電撤人),通過增加或減少工作面設(shè)置的風障數(shù)量控制工作面回風流瓦斯體積分數(shù)在1.5%以下,當工作面回風瓦斯體積分數(shù)穩(wěn)定在1%以下且并不隨采空區(qū)過風量的變化而變化時,可認為采空區(qū)瓦斯排放成功。2305和2411綜采工作面在基本頂初次來壓采空區(qū)瓦斯大量涌出期間,每天利用檢修班進行4～6h采空區(qū)瓦斯集中排放,排出瓦斯3000～4000m3/次。采空區(qū)瓦斯集中排放后工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)由2%～3%降至0.5%左右,回風流瓦斯體積分數(shù)由0.8%～1%降至0.3%左右。2411綜采工作面排放瓦斯情況見表4。3封閉采空區(qū)瓦斯實際治理正常情況下,采空區(qū)與工作面氣壓基本平衡,采空區(qū)瓦斯主要由采空區(qū)漏風將其從上隅角帶出。采空區(qū)漏風越大,帶出的瓦斯就越多,采空區(qū)瓦斯占瓦斯總量的比例就越大,造成工作面上隅角瓦斯?jié)舛壬?甚至超限。因此,采用控制采空區(qū)漏風的辦法來減少采空區(qū)瓦斯涌出量,把采空區(qū)的瓦斯最大限度地封堵在采空區(qū)中。具體做法是在工作面上、下隅角垛煤袋進行連續(xù)充填,同時緊貼煤袋墻沿運輸巷下幫煤墻至工作面采空區(qū)切頂線吊掛15m長的風障(由底板到頂板)引導風流進入工作面,阻礙新鮮風流進入采空區(qū)。上隅角設(shè)煤袋墻將采空區(qū)與工作面隔絕,封堵采空區(qū)瓦斯涌出通道(為便于處理上隅角瓦斯,上隅角煤袋墻與回風巷成110°),使采空區(qū)與工作面氣壓保持相對平衡,從而將瓦斯封堵在采空區(qū)。通過在2301,2305,2411工作面基本頂初次來壓之前的初采期間和工作面采空區(qū)瓦斯涌出量相對較小時的實踐應用,瓦斯治理效果非常明顯,這種方法可以減少采空區(qū)瓦斯涌出量的50%左右。表5反映了2305工作面在采用此措施前后的瓦斯涌出變化情況。4角瓦斯抽放①上隅角瓦斯引排。使用采取上隅角超前放頂和在工作面上端頭6～8m吊掛風障的方法,將工作面風流引向上隅角部位,消除上隅角風流渦流。該方法已在2301,2305,2411,2413等工作面上隅角瓦斯治理取得了良好效果。②上隅角瓦斯抽排。當工作面上隅角瓦斯涌出量不太大時,可使用抽出式風機解決上隅角瓦斯超限問題,效果非常明顯。2005年以來先后在2305和2411工作面安裝了FSWZ-11B型抽排風機對工作面上隅角瓦斯進行抽放,約有2m3/min瓦斯經(jīng)抽出式通風機排出,能將工作面回風流瓦斯體積分數(shù)降低0.2%左右,大幅減少了瓦斯超限對生產(chǎn)的影響。③上隅角瓦斯抽放。當工作面采空區(qū)瓦斯涌出量較大時,就必須采用瓦斯抽放泵站對采空區(qū)瓦斯進行抽放。2005年在北翼24采區(qū)建立了井下瓦斯抽放泵站,裝備了2臺2BEA-303-0真空抽放泵。通過在2411工作面上隅角埋設(shè)一趟抽放管路對工作面采空區(qū)瓦斯進行抽放。工作面上隅角瓦斯治理效果顯著,到回采結(jié)束,2411工作面完全杜絕了上隅角瓦斯超限問題。5煤壁瓦斯擠出對于工作面中局部的瓦斯富集帶,通過采取打超前排放瓦斯鉆孔提前釋放瓦斯,采煤機割煤到局部瓦斯富集帶時降低割煤速度等措施,使煤體瓦斯均勻涌出,避免瓦斯集中涌出造成回風瓦斯超限。2305綜采工作面初采期間第50～80號支架之間煤壁瓦斯涌出明顯高于其他塊段煤壁瓦斯涌出量,在此支架間采煤機的割煤速度由6m/min降至2～3m/min,其割煤期間工作面絕對瓦斯涌出量明顯降低。2411工作面在基本頂初次來壓時,利用檢修班在工作面煤壁打?89mm、深5～6m的超前瓦斯排放孔,超前釋放瓦斯效果明顯,工作面瓦斯涌出量在生產(chǎn)期間大幅度降低。6瓦斯溢出量采煤機司機隨身攜帶瓦斯便攜儀,隨時掌握割煤期間工作面破煤時瓦斯涌出量的大小。當瓦斯體積分數(shù)達到0.7%時放慢割煤速度;工作面回風巷回風瓦斯體積分數(shù)探頭報警值調(diào)至0.8%報警,及時提醒瓦檢員和作業(yè)人員采取措施控制瓦斯涌出量。7瓦斯產(chǎn)出量比較工作面采用下行通風,因風流方向與瓦斯自然上浮流動的方向相反,從而大幅減少采空區(qū)的瓦斯涌出量。如2407綜采工作面回風巷和運輸巷在掘進期間瓦斯涌出量與2411綜采工作面回風巷和運輸巷差不多,但因2407工作面采用下行通風,生產(chǎn)期間其瓦斯涌出量遠低于2411綜采工作面。表6是在沒有采取瓦斯抽放情況下兩工作面瓦斯涌出量對比情況。3加強瓦斯開采的管理,提高瓦斯質(zhì)量及瓦斯意識車集礦在瓦斯治理技術(shù)和管理方面今后需進一步開展的工作:1)加強瓦斯地質(zhì)預警工作。進一步加強瓦斯地質(zhì)工作,采取先進的技術(shù)手段對異常地點煤的瓦斯涌出量進行預測,收集瓦斯基礎(chǔ)數(shù)據(jù),加強實際數(shù)據(jù)與地質(zhì)資料對比,不斷修改礦井瓦斯地質(zhì)圖,對瓦斯涌出異常區(qū)做到超前預警。2)加強瓦斯檢查工作。在采掘工作面要密切注意炮后及落煤后瓦斯涌出量的變化,通過觀測瓦斯涌出曲線,對瓦斯涌出異常區(qū)域