高瓦斯工作面“U”型通風系統瓦斯綜合治理

張啟祿

(汾西礦業集團公司，山西 介休 032000)

隨著礦井開采規模和深度的不斷加大，瓦斯涌出量也隨之增大，瓦斯災害日趨嚴重。對于工作面總瓦斯涌出量在40 m3/min以下的工作面不符合“U+L”通風系統使用條件，從經濟、安全上迫使“U”通風系統在高瓦斯礦井采煤工作面(總瓦斯涌出量在40 m3/min以下)的全面應用，但應用的基礎和保障是瓦斯綜合治理措施必須到位。

1 地質概況

本工作面位于汾西礦業集團某礦井三采區前進方向的南翼，西側工作面尚未采掘，東側為采空區。工作面設計走向長度2 094 m，可采長度1 734 m，傾斜長度為201 m。

該工作面所采的(3#+4#)合并層，屬二疊系山西組下段頂部煤層，煤層平均厚度3.8 m;區內煤層穩定，結構復雜，含2層左右黑色泥巖夾矸層，夾矸層厚0.15 ～0.4 m，煤層傾角0 ～12°，平均6°。

工作面直接頂為灰黑色砂質泥巖，厚度約15.53 m。其特征:灰黑色砂質泥巖，含砂不均，夾粉砂巖長帶，水平層理，含植物化石;老頂以灰白色中粒砂巖為主，厚度為20 m。其特征為中厚層狀，含云母，裂隙發育，堅硬;直接底為灰黑色砂質泥巖，斜交裂隙發育，未充填，半堅硬，含植物化石，厚度5.65 m;老底為淺灰色細粒砂巖，石英為主礦物，分選中等，鈣質膠結，脈狀層理，巖石完整，厚度12 m。

2 采煤方法

工作面開采方法采用走向長壁式開采，為一次采全高綜合機械化，全部垮落法管理頂板。

3 工作面回采期間瓦斯來源

3.1 本煤層瓦斯涌出

該礦所采二疊系下統山西組下段頂部煤層(3+4)#合并層，煤體松，透氣性極好，不利瓦斯儲存。本煤層瓦斯涌出量約占工作面總涌出量的40%左右，是主要瓦斯涌出之一，根據治理瓦斯的分源治理原則，需進行瓦斯抽采工作。

3.2 圍巖瓦斯涌出

因該礦煤層頂底板多為砂質泥巖，孔隙、裂隙相當發育，成煤時期儲存較多，在回采過程中，隨著老頂周期來壓，其中一部分瓦斯升至裂隙帶，一部分隨采空區漏風帶到工作面及專用抽采巷，直接影響工作面和上隅角瓦斯濃度，約占總涌出量的60%，為主要瓦斯涌出量。

3.3 鄰近層瓦斯涌出

下鄰近煤層離本開采層距離較大(約80余m)，對本開采層瓦斯涌出無影響;上鄰近2#煤層距本煤層6～15 m，開采后隨頂板垮落，應力重新分配后主要涌向采空區，對工作面無太大影響，一并計入采空區瓦斯涌出量中。

4 綜合治理方案

4.1 通風方式

工作面采用“U”型通風系統。材料巷進風，運輸巷回風，另在回風巷一側布置一條專用瓦斯抽采巷，抽采巷內對工作面進行裂隙帶、采空區瓦斯抽采并實現全風壓通風。

工作面配風量計算應根據風排瓦斯量，同時考慮配風量與上隅角瓦斯涌出的相對關系，繪制曲線圖，確定平衡點，合理、適當進行配風，選取上隅角瓦斯濃度最低時的風量數據。

工作面通風系統示意圖見圖1。

圖1 工作面通風系統示意圖

4.2 超前預抽采措施

4.2.1 掘進期間超前預抽

運巷掘進期間利用千米鉆機施工超前預抽鉆孔，預抽前方煤體中的瓦斯。在運巷口左幫施工第一個煤體鉆場，巷道掘到700 m、1 400 m處再施工第二個、第三個煤體鉆場。每個鉆場計劃施工3個超前預抽鉆孔，抽采煤體中瓦斯。

1)鉆場規格。鉆場在運巷前進方向的左幫，沿煤層頂板掘進。鉆場規格:深×寬×高=5 m×9 m×3 m，鉆場采用錨桿、錨索加金屬網綜合支護，采用擴散通風。

2)鉆孔設計。鉆場布置3個主鉆孔，孔間距1.1 m，鉆孔設計參數見表1～3。在施工過程中可根據工作面實際情況對鉆孔參數進行調整。

表1 第一鉆場鉆孔參數表

表2 第二鉆場鉆孔參數表

表3 第三鉆場鉆孔參數表

4.2.2 本煤層鉆孔抽采

材料、運輸兩巷采用邊掘邊抽的方法進行瓦斯超前預抽采。在材巷前進方向右幫，運巷前進方向左幫分別施工鉆孔進行預抽采，鉆孔從巷道開口處依次往工作面(沿煤層傾向)布置。鉆孔隨著工作面的向前掘進逐步施工，且工作面迎頭與相近的鉆孔間距不得超過50 m。鉆孔間距為6 m，鉆孔開孔使用d89 mm的鉆頭，打8 m后換用73 mm鉆頭，孔徑75 mm;抽采瓦斯管路布置在材巷前進方向右幫、運巷前進左幫，管路吊掛錨桿上，吊掛高度保持在1.2 m之間。工作面預抽鉆孔布置示意圖見圖2。

圖2 工作面預抽鉆孔布置示意圖

4.3 邊采邊抽綜合方案

工作面采用專用抽采巷頂板工作面裂隙帶鉆孔、采空區鉆孔抽采以及運巷上隅角埋管抽采的綜合邊采邊抽措施。

4.3.1 工作面裂隙帶鉆孔抽采設計

利用在專用抽采巷交錯施工高、低位頂板鉆孔對工作面裂隙帶瓦斯進行抽采。裂隙帶鉆孔布置在專用抽采巷前進方向的左幫，鉆孔從停采線依次往工作面布置，每隔6 mm布置一個鉆孔.鉆孔終孔高低位度控制在20～23 m左右，高位孔控制在29～32 m。鉆孔深入工作面煤壁20 m，孔高1.6 m，開孔使用d127 mmm鉆頭，打5 m后換用d89 mm鉆頭，孔徑91 mm。鉆孔從停采線往工作面依次編號，在專用抽采巷距切割巷60 m范圍內施工密集高、低位頂板鉆孔，孔間距變為3 m。提高工作面初采期間的抽采效果，保證安全生產，高、低位鉆孔在專用抽采巷施工完畢后，根據工作面實際煤層等高線圖進行鉆孔參數設計。

4.3.2 采空區抽采鉆孔設計

在專用抽采巷內向工作面上隅角施工煤柱穿層鉆孔，抽放采空區瓦斯。每6 m布置一個鉆孔，鉆孔深度29.4 m。鉆孔孔徑115 mm。鉆孔總數290個。根據該礦提供的地質說明書，鉆孔從停采線依次向工作面編號，在施工過程中可根據工作面實際情況對鉆孔參數進行調整。

4.3.3 運巷上隅角埋管抽采設計

工作面回采期間采用“U”型通風方式，即材料巷進風，運輸巷回風。為了解決運輸巷上隅角瓦斯積聚，采用鋪設一趟d300 mm鋼骨架復合管用于上隅角埋管抽放，管路沿巷道前進方向右側鋪設。從停采線以內每12 m接一個三通(d300 mm變d200 mm)，方向垂直向上。

管路安裝要求:

1)抽采管路沿巷道右側頂部吊掛，距頂不得大于400 mm的距離，要求每根抽采管路采用吊環吊掛兩處。

2)抽采管路按設計吊掛，做到平、直、穩、嚴密，統一高度。

3)管路跨過巷道或硐室時要設龍門，與主管路連接處要上閥門和過濾裝置。

4)從停采線以里每12 m安設一個三通，三通方向垂直向上，變頭處必須安裝過濾裝置，以防雜物進入管路。

5)井下管路應避免與通訊、動力電纜敷設在一起，以防管路帶電。若需布置在一側時，必須間隔500 mm的安全距離。

6)連接管路時必須將管內雜物清理干凈，膠墊要墊合適，法蘭盤螺絲要上齊全，全部緊固，保證不漏氣。

7)瓦斯管路鋪設地段嚴禁施工，如確需施工時，必須做好管路保護措施，并與該礦通風區聯系，待通風區采取措施后，方可施工。

8)抽采管路在吊掛完成后，由總工程師組織有關單位進行驗收，合格后，方可投入使用。

4.3.4 運巷采用鉆場長鉆孔抽采上隅角瓦斯措施(初采期間涌出量大)

1)鉆場位置及規格。

在運巷從切眼起，每隔50 m施工1個鉆場。共施工2個鉆場，鉆場在運巷前進方向的左幫，沿煤層頂板掘進。鉆場規格:深×寬×高=5 m×6 m×3 m，鉆場采用錨桿錨索加金屬網綜合支護，采用擴散通風。

2)鉆孔設計。

每個鉆場布置上下兩排各3個鉆孔，孔間距600 mm，開孔直徑115 mm，打5 m后換用89 mm鉆頭，孔徑91 mm。第一鉆場鉆孔垂直距離伸入工作面10 m，第二鉆場鉆孔垂直距離伸入前一鉆場20 m。1#～6#孔水平距離控制在工作面切割巷10～40 m的范圍內，1#～3#鉆孔終孔高度控制在6～12 m內;4#～6#終孔高度控制在8～16 m內。

工作面邊采邊抽鉆孔布置示意圖見圖3。

圖3 工作面邊采邊抽鉆孔布置示意圖

4.4 抽采方法及管路敷設

運輸巷、抽采巷均敷設兩趟直徑300 mm的瓦斯抽采專用管路，實現采空區與本煤層和裂隙帶鉆孔分源抽采，且分別與三采總回風巷抽采主管路對接。

預抽期間運巷、專用抽采巷管路與三采回風巷內d800 mm的主瓦斯抽采管路聯接利用高濃度抽采系統進行掘進工作面的瓦斯預抽采工作。回采期間運輸、材料專用抽采巷的本煤層鉆孔、裂隙帶鉆孔抽采管路與三采回風巷內d800 mm的瓦斯抽采管路連接，利用高負壓抽采系統進行工作面的瓦斯抽采，專用抽采巷的采空區抽采孔和運輸巷的上隅角埋管的抽采管路與三采回風巷內d700 mm的瓦斯抽采管路聯接，利用低負壓抽采系統進行采空區的瓦斯抽采工作。管路安裝完畢后，投入運行前必須進行氣密性試驗，并寫出書面報告，要求靜壓力大于30 kPa時，千米漏氣量不大于3 m3/min方為合格。

4.5 抽采鉆孔封孔設計

每施工完一個鉆孔后，立即進行封孔，封孔方法采用聚氨脂封孔法，封孔長度巖孔5 m，煤孔8 m，封孔前應將孔內積水、巖屑清理干凈，以保證封孔質量，封孔工藝如下:

1)封孔采用專用的PE封孔管。

2)封孔材料:專用的封孔管、封孔器、4分注液管、4分排氣管、毛巾布、聚胺脂。

3)封孔工藝:必須使用封孔泵動力封孔。

在封孔管兩端纏繞毛巾布寬度不小于0.5 m，末端的毛巾布距封孔管末端0.8～1 m，外端毛巾布外側距封孔管口處0.4 m，封孔管外露0.2 m，封孔管兩端的毛巾布澆注藥液后要用12#鐵絲綁牢。

4)封孔管外端毛巾布中裹入2根長為1.5 m和1 m的4分注液管、排氣管，4分管外露100 mm。

5)壓注藥液量:

聚胺脂液中甲、乙液的配比為1∶1.1。

6)鉆孔封孔所有工藝全部完成后，至少凝固1 h方可安裝擋板，在凝固4 h后方可進行打壓試驗。

7)封孔泵封孔操作順序:

a)在第一根封孔管上距末端0.4 m上一個接頭，然后在接頭處纏裹毛巾布，(使用12#鐵絲固定在封孔管上)再澆好液后送入孔內。

b)逐根快速將封孔管連接好。

c)及時將封孔管送入鉆孔。

d)在最外一根封孔管上距封孔管口0.4 m處再上一個接頭，然后在接頭往里纏裹毛巾布(使用12#鐵絲固定在封孔管上)，同時毛巾布內應固定上注液管、排氣管;排氣管安設在孔頂，注液管安設在孔底，各外露100 mm。

e)將封孔管送入鉆孔，封孔管外露0.2 m。

f)以上工序完成后，等待5、6 min，聚氨酯膨脹后，再向注液管內壓注藥液。

g)在鉆孔使用聚氨酯完成封孔后，將孔口預留0.2 m長的距離，采用人工填充水泥砂漿的方法進行孔口段的封孔工作。

8)液體打完后，要及時關閉壓風，擰開注液管上的絲扣，然后打開壓風將封孔器與膠管內液體吹干凈，防止聚氨酯堵塞封孔器。

9)鉆孔封好后，上擋板時不得將擋板緊固，待封孔液完全凝固后，方可緊固擋板。

10)每施工完一個鉆孔立即封孔，并接入抽采系統。