高瓦斯礦井分層開采綜采工作面采空區瓦斯治理研究與實踐

摘 要：沁秀公司岳城煤礦為高瓦斯礦井，目前開采3號煤層，綜采工作面采用分層開采，采空區瓦斯大量涌出嚴重制約礦井的安全生產。為解決這一技術難題，岳城煤礦分別對上、下分層綜采工作面研究并現場應用了高層位抽采鉆孔、地面采動鉆井、上隅角埋管抽放技術，并取得了顯著的效果，并逐步形成了一套適合高瓦斯礦井分層開采綜采工作面的“三位一體”采空區瓦斯綜合治理技術模式。有效的解決了采空區瓦斯異常涌出制約生產的難題。

關鍵詞：高瓦斯；分層開采；采空區；瓦斯治理；

中圖分類號TD164 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2015）-07-00-02

引言

隨著礦井機械化程度的不斷發展，開采范圍和開采強度日益加大，綜采工作面在回采過程中的通風瓦斯安全成為重中之重。受煤層地質條件與瓦斯賦存影響，采空區瓦斯治理形勢依然嚴峻，采空區瓦斯治理手段單一，治理技術和創新研究能力不足，從而造成了被動局面。因此，研究探索采空區瓦斯治理新技術成為解決采空區瓦斯治理難題的必經之路。

一、綜采工作面概況及采空區瓦斯治理現狀

晉煤集團沁秀公司岳城煤礦目前開采3號煤層，煤層平均厚度為6.11米，綜采工作面采用分層開采綜合機械化開采方法。上分層綜采工作面回采過程中通風系統為“三進一回”多巷通風系統，下分層綜采工作面在回采過程中通風系統為“一進一回”U型通風系統。

傳統的綜采工作面采空區瓦斯治理手段主要是通過加強對采空區瓦斯的密閉封堵，抑制采空區瓦斯的異常涌出，從而防止采空區瓦斯涌出造成瓦斯事故。

通過加強采空區瓦斯的密閉封堵，主要目的就是防止采空區瓦斯的異常涌出造成瓦斯事故。但是此方法為采空區瓦斯治理的被動手段，無法從根本上解決采空區的瓦斯涌出。況且隨著采動壓力的不斷顯現，對采空區瓦斯的封堵效果逐漸下降，治標不治本。

此次研究實踐主要是通過采取主動的瓦斯抽放技術手段解決綜采工作面采空區瓦斯異常涌出難題。通過對綜采工作面上分層采用高層位抽采鉆孔進行采空區瓦斯抽采，下分層采用地面采動鉆井、上隅角埋管抽放“三位一體” 采空區瓦斯綜合治理技術模式，從根本上解決綜采工作面在回采過程中采空區瓦斯制約安全生產的難題。

二、高層位抽采鉆孔治理上分層采空區瓦斯

（一）工作面概述

高層位抽采鉆孔治理采空區瓦斯首次試用于礦井的1304上分層綜采工作面。1304工作面傾向長度180m，走向長度1250m，工作面通風系統為三進一回”多巷通風系統，通風系統圖如圖1所示：

（二）高層位鉆場及鉆孔技術參數

1、高層位鉆場技術參數

在1304綜采工作面回風順槽二十橫川內北側煤柱中部開口，向北方向以30°坡度爬坡，由煤層向頂板巖層施工巖石斜巷，斜巷全長26米，斜巷到位后向13041順槽垂直方向施工6米平巷為抽采鉆場，鉆場位于3#煤層頂板上方12米處，鉆場末端與13041順槽右幫垂直距離為3米。

2、高層位抽采鉆孔技術參數

在鉆場內呈扇形布置共16個鉆孔，向垂直于工作面推進方向布置4個鉆孔，向兩側各布置6個鉆孔，開孔高度均為1.5米，傾角為3.31°～8.4°，鉆孔方位角從左至右為187°～ 337°，鉆孔深度54～138米，平均鉆孔深度為109.7米，鉆孔孔徑均為94mm。高層位鉆孔控制區域寬度為綜采工作面方向距上隅角50米范圍內，控制區域長度為13041順槽十七橫川至二十三橫川300米范圍內。高層位鉆孔布置圖如圖3所示：

（三）高層位抽采鉆孔抽采效果

由表中參數分析可知，隨著采面開采工作面的推進，高層位鉆孔抽采參數發生變化，當揭露采空區范圍較大時，鉆孔直接深入采動裂隙帶的瓦斯富集區，此時抽采流量最大，抽放效率更高。

綜采工作面在回采過程中回風隅角和回風巷的瓦斯濃度始終保持在0.50%以下，有效的保證了上分層綜采工作面的通風瓦斯安全，最大限度的解放了生產能力。

三、地面采動鉆井及上隅角埋管抽放治理下分層采空區瓦斯

（一）地面采動鉆井治理下分層采空區瓦斯

1、工作面概述

地面采動鉆井治理采空區瓦斯試用于礦井的1303下分層綜采工作面。1303綜采工作面配風量為1000m3/min，采用“一進一回”U型通風系統，采空區瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出總量的55%-65%。未啟用地面采動鉆井前，回風隅角和回風巷的瓦斯濃度居高不下，嚴重制約安全生產。

2、地面采動鉆井布置與施工

工作面回采后，在采空區四周存在一個互相連通的采動裂隙發育區，也就是采動裂隙。頂板煤巖體的裂隙構成瓦斯流動通道，大量采空區高濃度瓦斯富集在“O” 型圈內。利用此理論確定采動井的施工參數。

從開采工作面所在位置的地表施工大孔徑抽放鉆孔，并安設套管防止鉆孔受采動影響變形；采動井終孔位置位于回采工作面開采煤層上部，終孔80m范圍埋設篩管，覆蓋整個垮落帶。采動井示意圖及采動井與工作面位置關系圖如下所示：

3、地面采動鉆井抽放效果分析

采動井施工完畢后采用CBF410-2BZ3型抽放泵實施采動井抽放，采動井投用前后1303工作面的瓦斯參數變化情況見表2、表3所示：

由表可知，實施采動井抽放后，工作面回風巷瓦斯濃度下降幅度達到58.75%，回風巷平均瓦斯濃度為0.33%，保障了下分層采面的通風瓦斯安全。

（二）上隅角埋管抽放治理采空區瓦斯

上隅角埋管抽放具體實施在1303下分層采面。地面采動鉆井作為治理下分層采面的主要措施，上隅角尾部埋管抽放作為局部輔助措施。

在1303工作面回風順槽敷設一趟DN225的PE抽放管路，與工作面尾部的抽放管路進行勾通。DN225管路每隔12米留設高度為1.5米，直徑為50毫米的PE篩管，待采面推進至篩管時及時將其打開進行抽放。同時為保證抽放效果，形成封閉式抽放，在上隅角處通過使用裝有煤泥的編織袋在緊靠切頂線以里處堆砌，將采空區與工作面空間進行隔離。以此對工作面的上隅角進行尾部抽放，確保上隅角處的風流處于負壓狀態，避免了采空區瓦斯的異常涌出。具體如圖7所示：

圖7 采上隅角尾部埋管抽放示意圖

通過現場的數據收集，抽放負壓始終保持在5-8Kpa，抽采濃度為12%-16%，瓦斯抽采純量為1.6-2.8m33/min。確保了上隅角處的瓦斯安全。

四、總結

高層位抽采鉆孔、地面采動鉆井、上隅角埋管尾部抽放是晉城礦區治理采空區瓦斯的最有效的技術手段，“三位一體”采空區瓦斯綜合治理模式對于類似煤層賦存條件及開采條件的礦井也具有一定的指導意義。