興隆煤礦15211工作面上隅角瓦斯治理技術研究

游繼軍，蔣承林，張超杰

（中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州221116）

隨著礦井開采深度及生產能力的增加，礦井瓦斯涌出量呈明顯遞增趨勢[1]，掘進工作面和回采工作面經常發生瓦斯超限現象，其中回采工作面上隅角的瓦斯超限問題尤為嚴重，上隅角瓦斯嚴重的影響了礦井的安全生產，此時單靠增加礦井巷道的進風量已經不能夠從根本上解決上隅角瓦斯問題，瓦斯抽放成為治理上隅角瓦斯的一個重要手段，因此合理的選擇抽放地點及抽放參數是解決上隅角瓦斯問題的關鍵。

1 工作面概況

興隆煤礦位于貴州省六盤水市，礦井絕對瓦斯涌出量為18.64m3／min，相對瓦斯涌出量為22.21m3／t，為高瓦斯礦井。礦井15211工作面傾向長度220m，走向長度2400m，采用走向長壁后退式采煤方法開采15號煤層，15號煤層傾角9°，煤層厚度3.82m，15211工作面采用U＋L型通風方式。

2 上隅角瓦斯治理技術

目前針對上隅角瓦斯的治理主要從以下幾個方面著手：

2.1 改變工作面通風方式

目前礦井工作面普遍使用的通風方式為U型后退式通風，這種通風系統只有一條進風巷道和一條回風巷道，該通風系統的優點是結構簡單，但其最大缺點就是工作面上隅角瓦斯易積聚超限[2]。U＋L型通風方式即在U型通風的回風側增加一條排瓦斯尾巷，該巷道與回風巷道之間用聯絡巷進行貫通，聯絡巷進行臨時密閉，根據工作面回采位置適當啟封相對應的密閉，工作面的污風一部分從回風巷道流出，而另外一部分則通過聯絡巷經尾巷流出，該通風方式在一定程度上緩解了上隅角瓦斯積聚問題[3]。

2.2 利用高位鉆孔進行瓦斯抽放

高位鉆孔即在回風巷道工作面側開高位鉆場，鉆場布置到煤層頂板中，然后從鉆場內向工作面施工鉆孔，鉆孔打到采空區的裂隙帶，實施瓦斯抽放[4]。

2.3 埋管抽放

在工作面回風巷道里向采空區埋設瓦斯抽放管路，采取采空區瓦斯抽放法[2]。

3 15211工作面上隅角瓦斯治理技術

興隆煤礦為高瓦斯礦井，15211工作面采用U＋L型通風方式，雖在一定程度上緩解了上隅角瓦斯的積聚，但隨著工作面的推進，采空區的瓦斯大量涌出，上隅角瓦斯開始超限，因此設計采用高位鉆孔進行瓦斯抽放，但實行此措施存在以下幾方面難題：①施工高位鉆場工程量大。15211工作面回風巷道長度2400m，而高位鉆場需每隔100m就布置一個且鉆場施工要滿足如下標準：鉆場通路開口位于工作面回風巷，與工作面走向成90°角，巷道傾角為向上傾斜，傾角為＋20°，向工作面內部施工。鉆場通路施工深度為15m，巷道規格為3m×2.6m，鉆場通路變全巖后掘進鉆場，鉆場規格為6.8m×3.8m×2.6m，鉆場與煤層頂板的間距（巖柱）為3m。②通風困難。由于礦井通風方式為全負壓通風，在施工巖石鉆場時需用局部通風機進行供風，由于回風巷道長度太長，局部通風機供風不易且易發生通風系統紊亂。綜上所述采用高位鉆孔進行瓦斯抽放的措施不可行。

鑒于高位鉆孔進行瓦斯抽放的措施不可行，故設計直接在回風巷道內向采空區方向施工鉆孔進行瓦斯抽放，此設計不僅不需要施工巖石鉆場，而且不會產生通風困難問題，因此在15211工作面回采初期就實行此措施來治理上隅角瓦斯超限問題。起初上隅角瓦斯問題得到了解決，但隨著回采的繼續，采空區瓦斯涌出量的增大，抽采效果并不理想，抽采率急劇下降，經分析得知，受工作面回采產生的采動影響，圍巖、頂板發生不同程度的破壞和變形，距離回采工作面越近，頂板和圍巖破壞越厲害，此時抽放鉆孔不能得到很好的密封，大量空氣順著頂板和圍巖的裂隙進入抽放鉆孔，因此抽放鉆孔抽出了大量的空氣而不是瓦斯。

綜合前面對抽放失敗的原因分析，經過理論計算我們重新選擇了施工地點和抽放工藝參數即主要考慮以下幾個方面：①合理選擇抽放地點；②抽放鉆孔終孔位置距離煤層頂板的垂距；③鉆孔抽放工藝參數。

3.1 抽放地點的確定

合理的選擇抽放地點對抽放效果起著重要作用，結合前面抽放方案不可行的原因分析，最終將抽放地點選擇在尾巷內，原因有以下兩方面：①尾巷為煤巷，與施工巖巷相比最大限度的減少了施工工程量。②尾巷與回風巷之間的保護煤柱對抽放鉆孔起到了很好的密封作用，阻止了空氣沿頂板和圍巖的裂隙進入抽放鉆孔，從而提高了抽放鉆孔中的瓦斯濃度。

3.2 鉆孔終孔位置與煤層頂板垂距的確定

根據巖層的破壞程度與位移狀態將煤層頂板圍巖劃分為冒落帶、裂隙帶以及彎曲變形帶[5]。由于冒落帶與采空區直接相通，抽放鉆孔進入冒落帶將吸入大量空氣，所以此帶一般不宜用鉆孔抽放瓦斯。在裂隙帶中，煤層卸壓充分，瓦斯大量解吸，接近冒落帶的巖層為大裂隙區，瓦斯在此區因流動阻力小，容易涌入采空區，所以此帶鉆孔抽放率低。往上為小裂隙區，由于此帶瓦斯向采空區流動困難，為抽放率最高地帶。當抽放鉆孔位于小裂隙帶內時能抽采到煤層釋放到小裂隙帶中的高濃度卸壓瓦斯，從而降低工作面圍巖和采空區涌向工作面上隅角的瓦斯濃度[6]。因此，鉆孔的終孔點要在冒落帶以上的小裂隙帶（裂隙區）內。

15211工作面煤層厚度3.82m，工作面一次采全高，根據下面公式可計算出工作面回采后冒落帶、裂隙帶的最大高度。

式中：H1為冒落帶最大高度；H2為裂隙帶最大高度；M為工作面采高。

根據式（1）、式（2）可以計算出頂板裂隙帶的范圍為10.34～39.33m，又因接近冒落帶的巖層為大裂隙區，瓦斯在此區因流動阻力小，容易涌入采空區，此帶鉆孔抽放率低，因此減去約4m的大裂隙區，裂隙帶的高效抽采區域范圍應在14.34～39.33m之間，同時結合興隆煤礦＋700m標高以上地質特征，確定鉆孔的最佳終孔位置位于煤層頂板以上14～19m之間。

3.3 鉆孔抽放工藝參數的確定

3.3.1 合理調整鉆孔布孔密度及鉆孔間距

每一個抽放鉆孔其抽放影響范圍是有限的，鉆孔過密雖可一定程度上提高煤層瓦斯抽采率，但增大了工作量，因此需在確定最佳鉆孔間距的前提下增加鉆孔密度。根據現場測定得知：興隆煤礦15號煤層瓦斯抽采有效半徑為1.8～3.2m，根據礦山壓力規律及15211膠帶運輸巷及回風巷掘進時抽采經驗確定抽放鉆孔的最佳間距為3.0～3.5m。

3.3.2 增加抽放鉆孔的深度

表1為15211膠帶運輸巷的測定結果，從表1可以看出隨著鉆孔深度的增加抽采瓦斯量也逐漸增大。

表1 鉆孔深度與瓦斯抽采量實測

3.3.3 增大抽采鉆孔的直徑

抽采鉆孔直徑增大，鉆孔暴露煤的面積大，這樣更有利于瓦斯的流出[5]。根據15211膠帶運輸巷的測定結果結合興隆煤礦的現有設備，鉆機選定的型號為ZL－380型，鉆孔直徑89mm。

4 效果分析

抽采鉆孔布置在15211回風巷里時抽采鉆孔的瓦斯濃度只有10%～20%，當將抽采位置選擇在尾巷并對抽采鉆孔的間距、鉆孔深度及鉆孔直徑進行相應調整后抽采鉆孔瓦斯濃度達到45%～60%，抽采效果得到了顯著的提高，同時15211工作面上隅角瓦斯有明顯下降趨勢，由抽放前的0.8%～1.2%下降到抽放運行后的0.4%～0.5%，15211工作面上隅角瓦斯超限的問題得到了徹底的解決，極大的保證了工作面安全生產。

5 結論

對于興隆煤礦15211工作面，通過理論分析與現場實測，確定了治理工作面上隅角瓦斯超限的最佳施工方案，并取得了預期效果，不僅保證了工作面的安全生產，而且極大的減少了施工工作量，提高了礦井的經濟效益。

[1]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業大學，1992.

[2]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術[M].北京：煤炭工業出版社，2001.

[3]黃聲樹.煤礦瓦斯治理適用新技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2008.

[4]于不凡.煤礦瓦斯災害防治及利用技術手冊[M].北京：煤炭工業出版社，2005.

[5]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理示范工程[M].北京：煤炭工業出版社，2004.

[6]胡殿明，林柏泉.煤層瓦斯賦存規律及防治技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2006.