基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術應用

欒恒杰，蔣宇靜，林惠立

(1.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術應用

欒恒杰1，蔣宇靜1，林惠立2

(1.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；2.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

為有效解決工作面瓦斯超限問題，在深入分析青龍煤礦生產地質條件的基礎上，采用基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術。通過混凝土砌塊墻沿空留巷方式，成功保留了回采巷道，實現了“Y”型通風。采用本煤層瓦斯順層鉆孔、穿層鉆孔立體抽采，臨近層瓦斯穿層鉆孔抽采，采空區及上隅角瓦斯頂板高位鉆孔和采空區埋管抽采的多方位抽采技術，同時解決了本煤層、采空區及鄰近煤層瓦斯涌入工作面、上隅角的問題。應用效果表明：工作面瓦斯抽采率達80%以上，基本杜絕了瓦斯超限問題；工作面推進速度提高1倍，月回采煤量達15萬t，實現了高瓦斯煤層安全高效開采。

沿空留巷；“Y”型通風；多方位抽采；瓦斯治理；安全高效開采

貴州大多數煤礦都面臨著高瓦斯突出煤層開采的問題，開采煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，瓦斯治理困難，嚴重制約著礦井的安全高效開采。為解決瓦斯突出問題我國研究人員進行了大量的理論研究與現場實踐，例如楊彥群[1]、李曉華[2]、李臣武[3]、梁春豪[4]、邢繼亮[5]等對瓦斯順層鉆孔、穿層鉆孔抽采，臨近層瓦斯穿層鉆孔抽采，采空區瓦斯抽采等多種瓦斯治理技術及機理進行了研究，并在多個礦區進行了瓦斯防治實踐，通過瓦斯抽采技術大幅降低了瓦斯濃度，取得良好的效果。但是，隨著采掘工作不斷延深、產量的不斷增加，采掘工作面瓦斯涌出量會逐漸增長，僅采用瓦斯抽采技術已不能滿足生產要求[6-7]。回采面上隅角的瓦斯積聚將不僅限制采掘設備生產能力和生產效率的進一步提高，而且嚴重危及到工作面作業人員的生命安全[8]。沿空留巷技術可以實現 Y 型通風方式，是治理工作面瓦斯超限難題的有效途徑；沿空留巷所保留的巷道是進行采空區瓦斯抽采和治理的理想場所[9-10]。可見，進行基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術研究與應用十分必要。

為了確保礦井安全高效開采，消除工作面瓦斯超限問題，提高防治礦井瓦斯災害的能力。本研究以青龍煤礦高瓦斯煤層開采為背景，采用基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術對青龍煤礦21604回采工作面進行瓦斯綜合治理。實現了“Y”型通風，采煤工作面瓦斯抽采率達80%以上，很好解決了工作面瓦斯考察超標、臨近層瓦斯涌出對開采層威脅及上隅角瓦斯超限問題，為采煤工作面加快推進提供重要保障。

1 工程地質條件

根據青龍煤礦生產接續及現場實際情況，選擇21604工作面作為瓦斯綜合治理技術試驗工作面。21604工作面地面標高+1 222.8～+1 382.9 m，工作面煤層底板標高+1 073.5～+1 148.3 m，煤層傾角10°～15°，工作面走向長為1 412.4 m，傾斜長為181.7 m。21604工作面所采煤層為二疊系上統龍潭組16煤，厚度1.3～3.4 m，平均厚2.6 m，煤層傾角10°～15°，下距17煤層5.40～18.70 m。17煤厚度0～1.6 m，平均厚度1.4 m，下距18煤層頂板15.4～28.7 m。18煤厚度2.3～4.3 m，平均厚度3.6 m，為主采煤層。礦井的可采煤層均為高瓦斯煤層，根據瓦斯地質圖及取樣化驗結果，二采區16煤層瓦斯含量為22.88 m3/t，17煤層瓦斯含量為10.97 m3/t，18煤層化驗瓦斯含量為25.48 m3/t。經計算，21604工作面開采層相對瓦斯涌出量為16.19 m3/t，臨近層相對瓦斯涌出量15.47 m3/t，圍巖相對瓦斯涌出量4.04 m3/t，則21604工作面相對瓦斯涌出量35.7 m3/t。

2 沿空留巷“Y”型通風

“U”型通風條件下，工作面風流在流經上隅角時直角轉彎形成渦流，上隅角成為系統風壓的最低點，采空區涌出的瓦斯易積聚、難吹散。而采用沿空留巷能夠使工作面形成“Y”型通風系統，通過“兩進一回”的通風方式，可有效解決工作面上隅角瓦斯集聚問題[11-12]。

圖1 墻體尺寸及位置示意圖Fig.1 Wall size and location

2.1 沿空留巷方式

巷旁支護墻體采用C30普通混凝土砌塊和砂漿砌筑而成。砌塊地面預制，分多種規格，井下人工砌筑形成錯縫縱碼的巷旁支護墻。墻體位于軌道順槽的采空區側，墻體砌好后沿空留巷寬度4.5 m，墻體砌筑到頂板，墻高平均約2.6 m，墻體寬度1.2 m，如圖1所示。為增大墻體強度，墻體兩側采用錨桿+鋼筋梯進行加固，錨桿兩頭采用螺母+托盤壓住鋼筋梯，如圖2所示。

2.2 “Y”型通風

21604工作面為青龍煤礦二采區第一個工作面，工作面軌道順槽沿空留巷。工作面回采初期采用“U”型通風方式，21604運順進風，21604軌順回風。工作面推進至里程370 m處時沿空留巷采用“Y”型通風方式，21602措施巷聯絡巷、21602軌順、21602軌順聯絡巷、11608運順回風，21604工作運順及21604軌順進風，如圖3所示。

圖2 沿空留巷墻體實物圖Fig.2 Gob-side entry retaining wall

1) 工作面切眼貫通期間，克服了通風路線長，通風負壓小、風量緊張等困難，通過采取全礦通風系統優化，現場充分準備等措施，有效對巷道貫通通風系統進行調整。經過測定，工作面“U”型通風生產期間最大風量達到1 900 m3/min以上，“Y”型通風期間最大達1 800 m3/min以上，確保了工作面正常生產期間的瓦斯稀釋效果。

2) 工作面采用“Y”型通風后對工作面通風系統和各巷道配風量進行了調整，本著1/3和2/3的原則，調整21604運順進風1 200 m3/min左右，21604軌順進風600 m3/min左右。既降低了工作面采空區內漏風量，同時能有效解決工作面上隅角及回風流中瓦斯濃度較高問題，取得了良好的效果，為類似通風系統的采煤工作面提供了借鑒經驗。

圖3 工作面通風方式Fig.3 The working face ventilation way

3 工作面多方位瓦斯抽采技術

21604工作面本煤層瓦斯采用順層鉆孔、穿層鉆孔立體抽采，臨近層瓦斯采用穿層鉆孔抽采，采空區及上隅角瓦斯采用頂板高位鉆孔和采空區埋管抽采。通過對本煤層瓦斯、臨近層瓦斯、采空區瓦斯綜合治理，同時解決本煤層、采空區及鄰近煤層瓦斯涌入造成工作面、上隅角瓦斯超限的問題，保證工作面正常回采。工作面局部地段過構造帶煤層賦存變化大，瓦斯異常時在工作面施工淺孔配合進行抽采。

3.1 本煤層瓦斯立體抽采

21604工作面本煤層采用順層鉆孔+穿層鉆孔立體抽采，鉆孔布置示意圖如圖4所示。

圖4 順層鉆孔+穿層鉆孔立體抽采圖例Fig.4 The stereoscopic extraction of drilling inseam and cross-seam holes

21604采煤工作面順層鉆孔抽采本煤層瓦斯鉆孔設計情況：0～900 m段鉆孔按照3 m孔間距進行設計，900 m停采線位置按照4 m孔間距設計(全長下套管)，軌順側鉆空深100 m，運順側鉆空深95 m，軌順與運順鉆孔相交10 m。鉆孔采用ZDY-3200S、ZDY3500S型鉆機施工，施工孔徑為113 mm，順層鉆孔施工完畢后，封孔管直徑不得小于89 mm，連抽管直徑不得小于108 mm。

當21604工作面地質條件發生變化，設計的本煤層抽采鉆孔達不到設計要求，施工本煤層順層鉆孔控制不到位，在21604工作面出現瓦斯抽采空白帶時，在21604軌順底抽巷(標高+1 080 m)、21604運順底抽巷(標高+1 040 m)設計穿層鉆孔，對兩個工作面的空白帶瓦斯進行抽采。21604工作面前0～300 m段按照10 m終孔間距設計，300 m停采線段按照15 m終孔間距設計，鉆場間距10～15 m，重點抽采工作面距進回風巷大于60 m及順層鉆孔控制空白帶區域。鉆孔采用ZDY-4000LF、ZDY-3200S、ZDY3500S型鉆機進行施工，鉆孔終孔直徑為113 mm。

3.2 被保護層卸壓瓦斯抽采

在21604底抽巷穿層鉆孔施工完畢后，在底抽巷內向21604工作面下方的18煤層內施工穿層鉆孔預抽18煤層瓦斯，如圖5中間部分鉆孔所示。鉆孔采用網格式布置，鉆孔間距為22 m(煤層中部的平均距離)，鉆場間距為19.5 m，鉆孔孔徑不小于75 mm，鉆孔穿過18煤層后停鉆。在21604工作面回采期間，除利用上述鉆孔抽采18煤層瓦斯卸壓外，還利用掘進期間在底抽巷內施工的1號和7號穿層鉆孔協助抽采18煤層瓦斯卸壓。

圖5 穿層鉆孔抽采被保護層卸壓瓦斯圖例Fig.5 The protected seam gas relief by cross-seam holes extraction

3.3 采空區裂隙帶瓦斯抽采

為解決21604工作面回采過程中上隅角瓦斯超限，21604軌順中每間隔100 m施工一個硐室，硐室規格為：深×寬×高=4 m×4 m×2.8 m，每個硐室施工6個鉆孔對采空區瓦斯進行抽采。鉆場位于回采煤層頂板上5 m，鉆孔長度150～200 m，鉆孔直徑不小于113 mm，鉆孔最終位置距離煤層頂板20～50 m(裂隙帶)，如圖6所示。

低負壓抽采管路的安裝。21604工作面回采期間，在21604軌順安裝一趟500 mm的低負壓瓦斯抽采管，瓦斯抽采管末端安裝至21604工作面第一組高位抽采硐室處，便于回采期間抽采采空區高濃度瓦斯。隨著工作面的回采，將低負壓瓦斯抽采管延伸至21604軌順的低負壓瓦斯抽采管上，便于抽采21604工作面上隅角瓦斯。

圖6 走向高抽鉆孔抽采采空區裂隙帶瓦斯圖例Fig.6 The trend high holes extraction of the goaf fractured zone gas

圖7 瓦斯抽采管的設置Fig.7 The settings of the gas drainage pipes

3.4 采空區瓦斯抽采

21604屬于高瓦斯工作面，為了保證安全，留存瓦斯應盡可能抽放。21604工作面回采期間，安裝一趟500 mm的低負壓瓦斯抽采管至21604工作面上隅角處。隨著21604工作面的推進，每間隔30 m設一個500 mm的等徑三通，等徑三通上直接500 mm的抽采管，埋入21604采空區內，抽采采空區內瓦斯，如圖7所示。埋入采空區內(橫管)長度不小于1.5 m，直徑為500 mm，橫管上加工成篩孔(篩孔直徑為50 mm、孔間距50 mm、行間距50 mm，篩孔總面積不得小于500 mm鐵管的橫截面積，不少于100個)。篩孔管必須用木垛進行保護，確保頂板垮落后不破壞篩孔管。在500 mm的支管上安設可控制的閘閥，便于調整抽采流量。

21604軌順最大抽采濃度為44.6%，抽采純流量為13.78 m3/min，抽采負壓為30 kPa。21604軌順底抽巷最大抽采濃度為44.7%，抽采純流量為29.58 m3/min，抽采負壓為26 kPa。21604運順最大抽采濃度為37.8%，抽采純流量為13.89 m3/min，抽采負壓為28 kPa。21604運順底抽巷最大抽采濃度為51.2%，抽采純流量為28.69 m3/min，抽采負壓為26 kPa。

4 瓦斯治理效果

二采區首采21604工作面，在煤層瓦斯含量最大達22.88 m3/t，最大瓦斯壓力為1.73 MPa，工作面回采初期最大瓦斯涌出量達93 m3/min情況下，采用基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術，采煤工作面瓦斯抽采率達80%以上，很好解決了工作面瓦斯考察超標、臨近層瓦斯涌出對開采層威脅及上隅角瓦斯超限問題，為采煤工作面加快推進提供了重要保障。

工作面推進情況如圖8所示。21604工作面和11609工作面回采煤量對比如表1所示。可以看出，在2014年11月采用瓦斯綜合治理技術后，工作面回采效率大大提高。工作面月推進150 m，推進進尺大幅度提高，工作面推進速度提高1倍以上。相對于僅采用順層鉆孔抽采技術的11609工作面，月回采煤量也大幅度增加，達15萬t。瓦斯綜合治理技術確保了工作面的安全高效回采，取得了良好的安全和經濟效益。

圖8 21604工作面采掘平面圖Fig.8 The mining and excavation plan of the No.21604 working face表1 21604工作面和11609工作面回采煤量對比表Tab.1 The mining coal quantity comparison between the No.21604 and No.11609 working face

工作面名稱21604工作面11609工作面平均回采煤量(萬t/月)153瓦斯治理方法瓦斯綜合治理技術順層鉆孔

5 結論

采用基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術對青龍煤礦21604回采工作面進行瓦斯綜合治理。通過混凝土砌塊墻沿空留巷方式，成功保留了回采巷道，實現了“Y”型通風，降低了工作面采空區內漏風量，有效解決了上隅角瓦斯超限及回風流中瓦斯濃度較高問題；采用本煤層瓦斯順層鉆孔、穿層鉆孔立體抽采，臨近層瓦斯穿層鉆孔抽采，采空區及上隅角瓦斯頂板高位鉆孔和采空區埋管抽采的多方位抽采技術，同時解決了本煤層、采空區及鄰近煤層瓦斯涌入工作面、上隅角的問題。采煤工作面瓦斯抽采率達80%以上，很好解決了工作面瓦斯超標、臨近層瓦斯涌出對開采層威脅，為采煤工作面加快推進提供了重要保障。工作面月推進150 m，進尺大幅度增加，工作面推進速度提高1倍以上，月回采煤量達15萬t。瓦斯綜合治理技術確保了高瓦斯煤層工作面的安全高效回采，取得了良好的安全和經濟效益。

[1]楊彥群.高瓦斯突出礦井綜采工作面瓦斯綜合防治技術[J].煤炭科學技術,2012,40(6):44-46. YANG Yanqun.Comprehensive gas prevention and control technology of fully mechanized coal mining face in high gassy and outburst mine[J].Coal Science and Technology,2012,40(6):44-46.

[2]李曉華,戚新紅,韓真理,等.近距離煤層群高瓦斯突出煤層回采工作面瓦斯綜合治理技術[J].煤炭技術,2014,33(6):46-48. LI Xiaohua,QI Xinhong,HAN Zhenli,et al.Comprehensive gas control technology of coal mining in close coalseams with high gassy and outburst mine[J].Coal Technology,2014,33(6):46-48.

[3]李臣武.突出煤層沿空留巷綜采工作面瓦斯綜合治理技術[J].煤炭科學技術,2015,43(增):89-92. LI Chenwu.Gas control technology of gob-side entry retaining fully-mechanized coal mining face in outburst coal seam[J].Coal Science and Technology,2015,43(S):89-92.

[4]梁春豪,李進鵬.近距離突出煤層群無煤柱開采及立體抽采技術[J].煤炭科學技術，2013,41(12):63-66. LIANG Chunhao,LI Jinpeng.Three dimensional gas drainage technology of pillarless coal mining in contiguous outburst seams group[J].Coal Science and Technology,2013,41(12):63-66.

[5]邢繼亮,李思乾,李文超,等.屯蘭礦瓦斯綜合治理技術實踐[J].煤礦安全,2013,44(8):126-128. XING Jiliang,LI Siqian,LI Wenchao,et al.Practice of gas comprehensive control technology in Tunlan Coal Mine[J].Safety in Coal Mines,2012,44(8):126-128.

[6]李學臣.嚴重突出煤層沿空留巷區段預抽技術[J].煤礦安全,2013:55-57. LI Xuechen.Pre-pumping technology in gob-side entry retaining of serious outburst coal seam[J].Safety in Coal Mines,2013,44(8):55-57.

[7]盧平,方良才,童云飛,等.深井煤層群首采層Y型通風工作面采空區卸壓瓦斯抽采與綜合治理研究[J].采礦與安全工程學報，2013,30(3):456-462. LU Ping,FANG Liangcai,TONG Yunfei,et al.Relieved gas drainage and comprehensive control in gob of Y-type coal face in the first coal seam mining of deep multi-seams[J].Journal of Mining and Safety Engineering,2013,30(3):456-462.

[8]王銳,修毓,王剛,等.采空區瓦斯滲透影響的綜放面瓦斯運移模擬研究[J].山東科技大學學報(自然科學版),2016,35(4):52-61. WANG Rui,XIU Yu,WANG Gang,et al.Numerical simulation of coal and gas outburst based on particle flow theory[J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science),2016,35(4):52-61.

[9]劉洪林,柏建彪,張東升,等.基于沿空留巷的瓦斯綜合治理技術[J].煤礦安全,2012,43(9):60-62. LI Honglin,BAI Jianbiao,ZHANG Dongsheng,et al.Gas comprehensive control technology based on gob-side entry retaining[J].Safety in Coal Mines,2012,43(9):60-62.

[10]楊曉紅,馬步才,樊少武.沿空留巷Y型通風瓦斯治理效果分析[J].煤炭科學技術,2011,39(7):46-49. YANG Xiaohong,MA Bucai,FAN Shaowu.Analysis on gas control effect based on gateway retained along goaf Y type ventilation[J].Coal Science and Technology,2011,39(7):46-49.

[11]孟杰,姜秀雷.沿空留巷在綜采工作面瓦斯治理中的應用[J].煤炭技術,2012,31(11):90-92. MENG Jie,JIANG Xiulei.Application of gob-side entry retaining at fully mechanized mining face[J].Coal Technology,2012,31(11):90-92.

[12]梁賽江,王同旭,王太茂,等.采空區瓦斯滲透影響的綜放面瓦斯運移模擬研究[J].山東科技大學學報(自然科學版),2012,31(6):15-19. LIANG Saijiang,WANG Tongxu,WANG Taimao,et al.Modeling and research about gas transport based on the influence of high gas in the neighboring coal seam [J].Journal of Shandong University of Science and Technology(Natural Science),2012,31(6):15-19.

(責任編輯：呂海亮)

Comprehensive Gas Control Technology Based on Gob-side Entry Retaining and Multi-direction Extraction

LUAN Hengjie1,JIANG Yujing1,LIN Huili2

(1.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China; 2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

To effectively solve the problem of working face gas concentration exceeding limits,a comprehensive gas control technology based on gob-side entry retaining and multi-direction extraction was proposed on the analysis of the production and geological conditions of Qinglong Mine.With concrete block wall as roadside support,the mining roadway was retained successfully and the “Y” model ventilation was realized.The multi-direction extraction was employed including the seam gas stereoscopic extraction of drilling in seam and cross-seam holes,the near layer gas cross-seam hole extraction,and the gas high position drilling in roof of the goaf,which solved the problem of gas outbursting to the working face and the upper corners in the coal seam,the goaf and the adjacent coal seam.The application results showed that,the working face gas drainage efficiency was more than 80% and the gas concentration exceeding limits problem was basically eliminated.The mining velocity of working face was doubled.The monthly mining quantity reached 150 thousand tons.The safety and high efficiency mining of the high gas coal seam was realized.

gob-side entry retaining; ”Y” model ventilation; multi-direction extraction; gas control; safe high-efficient mining

2015-12-24

國家自然科學基金項目(51379117)

欒恒杰(1989—)，男，山東煙臺人，博士研究生,主要從事采礦工程、巖土工程等方面的研究工作． E-mail：luanjie0330@126.com 蔣宇靜(1962—)，男，江蘇靖江人，教授，博士生導師．主要從事巖石力學方面的科研與教學工作，本文通信作者． E-mail:jiang@nagasaki-u.ac.jp

TD82

A

1672-3767(2017)03-0038-07