新元煤矿综采面瓦斯超限治理技术研究

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近些年来,综采放顶煤以高产高效、安全稳定的优点,倍受各大矿区青睐。但在一些高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井,瓦斯赋存含量高、涌出量大且不稳定,工作面通风系统和瓦斯抽采措施跟不上,导致工作面尤其是上隅角瓦斯超限频繁,成为综采面瓦斯治理的关键难点。治理工作面瓦斯,优化工作面通风系统最直接最便捷,但经研究发现通风系统虽能抑制瓦斯超限,采空区却存在高浓度瓦斯难以消除、治标不治本;因此综合考量高抽巷等抽采措施,进一步提出顶板千米超长钻孔来抽采瓦斯,从根本上减少采空区瓦斯涌出、减少超限,对于高效抽采、保障综采面瓦斯安全意义重大。根据采空区上覆岩层破坏沉降规律、裂隙发育演化规律,结合煤层地质情况,在经典矿压理论和O型圈理论基础上,充分考虑采空区四周煤壁的支撑作用,提出更精细的采空区区带划分方法:采空区边缘部分20-30m范围属煤壁支撑区,形成O型的裂隙发育区域。公式计算及仰孔注水探测法得到采空区冒落带0-18m,裂隙带18-50m。阳泉煤业集团新元煤矿属煤与瓦斯突出矿井,3103综采面所在的3号煤层原煤瓦斯含量为14.89 m3/t,透气性系数低。综采面改造成“U+L型”通风系统,仍然出现瓦斯超限。总结工作面通风系统的优缺点,细致研究“U+L型”和“Y型”通风系统,优选新Y型通风系统。根据CFD数值模拟及现场实测数据,综合分析发现:供风相同时,最优风量配比为5:2,新Y型通风下上隅角瓦斯浓度为0.45%-0.68%之间,回风巷瓦斯浓度0.55%-0.71%之间,明显优于“U+L”型。且”U+L”通风下专用排瓦斯尾巷瓦斯浓度约为3-4%,超过《煤矿安全规程》规定的2.5%。新Y型通风系统相比“U+L型”更好地保障工作面安全。但新Y型通风时,采空区内仍存在高浓度瓦斯云团,是安全隐患,此时抽采和治理采空区瓦斯的势在必行。结合采空区最常用的倾斜钻孔和高抽巷瓦斯抽采,取长补短,提出顶板千米超长钻孔瓦斯抽采措施。从一采区总回风巷掘倾斜巷道至顶板35m处稳定岩层,设置高位钻场打近水平千米大直径超长钻孔进行采空区瓦斯抽采,超长钻孔布置在25-45m。数值模拟及现场实测数据表明:千米超长钻孔瓦斯抽采浓度高达74%,抽采纯量约为29.4m3/min,采空区瓦斯抽采率高达65.8%;工作面安全状况也明显优于高抽巷和倾斜钻孔,工作面上隅角0.38%-0.62%之间,回风巷0.449%-0.65%之间。千米工作面,相比倾斜钻孔和高抽巷节省资金4.475万元和7.2万元。施工安全快速、抽采时间长、一次钻孔、回采全程使用,甚至能在回采结束、封闭采空区后能够对老空区抽采。本文综合运用理论分析、现场试验、现场实测数据和CFD数值模拟,论证新Y型通风和顶板千米超长钻孔对综采面瓦斯超限的治理效果。效果分析:新Y型通风系统一定程度上治理工作面瓦斯超限,但不能彻底处理采空区的高浓度瓦斯云团;顶板千米超长钻孔高效抽取采空区瓦斯,也能够间接保障工作面的瓦斯安全。最终结论:综合运用顶板千米超长钻孔能够治理综采面瓦斯超限,辅以优良的新Y型通风系统,瓦斯治理效果最佳。不仅能够减少工作面瓦斯超限,而且从根本上减少瓦斯涌出、彻底实现瓦斯控制。对于高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井工作面瓦斯防治具有重大的现实意义,值得推广应用。
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