裕興煤業15203工作面瓦斯綜合治理技術研究及應用

郭國祥

（山西煤炭運銷集團裕興煤業有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

裕興煤業15203工作面位于15#煤層二采區北翼，工作面所采煤層為15#煤層，煤層厚度為3.91～4.89m，均厚4.41m，屬全區穩定賦存可采煤層，工作面采用長壁綜采采煤工藝進行回采作業。回采工作面長度為240m，平均采高4.41m，回采率為97%，工作面采用U型通風方式。

針對15203工作面采用分源預測法對工作面回采期間最大瓦斯涌出量進行預測，根據預測結果回采工作面瓦斯相對瓦斯涌出量為7.50m3/t，絕對瓦斯涌出量為10.44m3/min，遠大于相關規定要求的3m3/min的瓦斯涌出量要求，基于此可知在15203工作面回采前及回采期間，需進行有效的瓦斯抽放作業，降低煤層瓦斯含量，減小煤層瓦斯涌出，保障工作面安全回采。

2 瓦斯綜合治理技術

2.1 瓦斯治理技術的選擇

根據裕興煤業15203工作面的具體情況，在15203工作面回采前，通過布置順層鉆孔的方式對工作面煤層內的瓦斯進行有效的預抽作業，根據相關工作面瓦斯含量核算，在此階段需要將煤層瓦斯含量降至4.3m3/t，回采期間瓦斯涌出量才有可能降至3m3/min[1-2]；當工作面進行回采作業時，再結合頂板高位穿層鉆孔瓦斯抽采及上隅角埋管抽采的方式對工作面瓦斯的問題進行治理。

2.2 工作面回采前瓦斯預抽

在15203回采工作面回采前，采用VLD-1000型千米定向鉆機施工，運輸順槽和回風順槽中分別施工順層鉆孔，順層預抽鉆孔在直垂方向上控制煤層全厚，在水平方向上控制預抽區段回采區域（必須覆蓋預抽區段回采工作面所有順槽，且至少超過最外側順槽15m），基于此設計順層鉆孔直徑φ80mm，鉆孔長度為140m，設置順層鉆孔在距離巷道底板1.5m的位置處打設，順層鉆孔的水平間距為5.0m，鉆孔的封孔段長度不得小于8m。

在順層鉆孔預抽階段需確保足夠的瓦斯排放時間，需保障順層鉆孔瓦斯預抽作業結束后，工作面煤層的瓦斯含量降低至4.3m3/t，具體15203工作面順層鉆孔的布置形式如圖1所示。

2.3 工作面回采期間瓦斯抽采

2.3.1 頂板高位瓦斯抽采鉆孔

根據相關巖石鉆場的抽采瓦斯的經驗并結合現有鉆機的抽放能力[3-4]，在15203工作面回采期間采用高位穿層鉆孔瓦斯抽采，具體頂板走向瓦斯抽采鉆孔的各項參數如下：

1）鉆場位置。根據15203工作面的具體情況，從運輸順槽每隔50m施工斜巷進入煤層頂板，斜巷上山的高度為2m，寬度為3m，上山的坡度約為30°，當斜巷進入到煤層頂板2m時，此時沿著煤層頂板掘進處6m的平巷作為頂板走向瓦斯抽采鉆孔的鉆場，鉆場的高度為3m，寬度為5m，深度為6m，具體頂板高位瓦斯抽采鉆場布置方式如圖2所示。

2）鉆孔布置方式。在15203工作面頂板走向瓦斯抽采鉆場內，每個鉆場內部布置4個抽采鉆孔，鉆孔呈現扇形布置，具體鉆孔的布置的各項參數見表1，鉆孔的布置方式如圖2所示。

表1 鉆孔布置各項技術參數表

圖2 15203工作面頂板高位鉆孔布置方式示意圖

3）封孔工藝。頂板高位瓦斯抽采鉆孔在進行封孔作業時，封孔工藝采用"兩堵一注"帶壓注漿對鉆孔進行有效封孔作業，兩堵即為在孔口1m的長度和16m的長度分別采用聚氨酯和囊袋進行有效封堵，一注即為采用微膨脹水泥，設置水灰比為1：0.7，設置注漿壓力為2MPa，將膨脹水泥注入封孔段內，兩堵一注的封孔長度為12m。

2.3.2 上隅角埋管瓦斯抽采

由于15203工作面采用U型通風，在風壓作用下進風巷內的粉塵和瓦斯等氣體會進入到工作面回風巷內，其中部分風流會漏入到工作面采空區內，形成漏風流。進入采空區的風流由于上隅角及回風巷負壓作用，又將通過上隅角外溢出來，采空區內的瓦斯及其他有害氣體會流向回風巷，進而導致上隅角和回風巷瓦斯濃度增加。

在15203工作面回采期間未充分保證上隅角瓦斯不會出現超限現象，采用采空區埋管進行瓦斯抽放的方式，對工作面上隅角瓦斯進行有效的治理作業，沿采煤工作面的回風巷上幫鋪設一條直徑為250mm的瓦斯管路（干管），在管路上每隔30m安設一個三通，并安設閥門，閥門上部安設立管，立管的高度為1.5m。在開切眼側的第一個三通（1#三通）處將直徑為108mm橡膠埋吸管與主瓦斯抽采管連接，橡膠埋吸管長30m，末端鏈接瓦斯抽采器。

另外為提高上隅角抽采效果，對上隅角進行封堵密閉，封堵材料為編織袋裝矸石或膠囊充氣封堵，具體15203工作面上隅角埋管抽采的布置方式如圖3所示。

圖3 15203工作面上隅角埋管瓦斯抽采示意圖

3 工作面瓦斯治理效果分析

3.1 順層鉆孔瓦斯預抽效果分析

為對15203工作面順層鉆孔瓦斯預抽效果進行有效分析，在工作面進行瓦斯預抽作業時，通過對預抽瓦斯的抽采濃度及抽采純流量進行監測，根據監測結果能夠得出15203工作面運輸順槽與回風順槽順層鉆孔瓦斯抽采濃度及純流量與抽采時間的關系曲線如圖4所示。

圖4 工作面順層鉆孔瓦斯抽采濃度、純流量-時間曲線圖

通過具體分析圖4可知，在15203工作面順層鉆孔進行瓦斯預抽作業期間，回風順槽內順層鉆孔預抽瓦斯的濃度在5.6%～44.4%之間，運輸順槽內順層鉆孔預抽瓦斯濃度在2.0%～17.1%，運輸順槽和回風順槽內順層鉆孔的瓦斯抽采純流量的范圍分別為 0.075～5.89m3/min 和 0.005～7.96m3/min，基于上述數據可知，順層鉆孔進行預抽作業時抽采的純流量及瓦斯濃度均較小，但是由于順層鉆孔在回采作業前進行預抽作業，預抽時間至少為180d以上，仍能對工作面瓦斯進行有效治理，通過對15203工作面回采前煤層的殘余瓦斯含量進行測定得出，工作面采用順層鉆孔進行瓦斯預抽作業后，工作面煤層瓦斯的含量由原來的7.50m3/t降低至3.5m3/t，達到了順層鉆孔抽采預期的目的。

圖5 15203工作面回采期間瓦斯濃度-抽采時間曲線圖

3.2 回采期間瓦斯抽采效果分析

為對15203工作面回采期間頂板高位鉆孔瓦斯抽采及上隅角埋管瓦斯抽采效果進行有效分析，在工作面回采期間通過對工作面上隅角與回風側的最大瓦斯濃度進行監測，根據監測結果能夠得出工作面上隅角、回風側與抽采時間的關系曲線如圖5所示。

通過具體分析圖5可知，15203工作面回采期間上隅角瓦斯濃度基本控制在0.35%～0.47%的范圍內，回風流中的瓦斯濃度基本控制在0.16%～0.34%的范圍內，基于上述數據可知在工作面回采期間瓦斯的濃度均小于工作面瓦斯設置的報警界限值0.8%，據此知15203工作面回采期間采用的頂板高位鉆孔瓦斯抽采與上隅角埋管的瓦斯抽采技術工作面瓦斯的治理取得了顯著的效果，保障了工作面安全高效生產。

4 結 論

針對15203工作面瓦斯涌出量的具體情況，通過綜合運用順層鉆孔瓦斯預抽、頂板高位鉆孔抽采與上隅角埋管抽采相結合的方式進行工作面的瓦斯治理，并結合工作面的具體情況對各項抽采技術的各項參數進行具體設計，根據瓦斯抽采效果分析知，當15203工作面采取上述瓦斯綜合治理技術后，工作面回風側與上隅角最大的瓦斯濃度分別0.34%和0.47%，回采過程中無瓦斯積聚現象出現，為礦井安全高效生產提供保證。