煤礦綜采工作面瓦斯綜合治理技術

姚 杰

(山西煤炭運銷集團陽城大西煤業有限公司，山西 陽城 048100)

1 礦井概況

山西煤炭運銷集團陽城大西煤業有限公司設計生產能力為60萬t/a的高瓦斯礦井，現礦井主采3#煤層，煤層賦存穩定，結構簡單，瓦斯含量高。采用中央分列抽出式通風，主通風機采用FBCDZ022型,2×250型軸流式通風機。3#煤層平均厚度3.5 m，傾角4°～6°，無自燃現象，井田位于沁水盆地南緣，中條山隆起的北東部。地貌劃屬為侵蝕山地，以中低山丘陵為主，區內溝谷發育，局部為黃土覆蓋，主要山梁及溝谷走向呈北西至南東向，地形北西高，南東低。最高點位于井田北西部邊界黃山莊村東40 m處的山梁上，標高為1 163.52 m，最低點位于井田南部邊界董王溝溝谷，標高為844.12 m，相對高差319.40 m左右。現生產區為一采區，回采3021綜采工作面[1-3]。

2 煤層瓦斯

礦井井田3號煤層瓦斯含量(W)具有隨著埋藏深度(H)增大而加大的整體趨勢，兩者之間具有如式(1)的線性統計規律(相關系數r=0.8429)：

W=0.031 7H-0.251 9

(1)

式中，W為煤層瓦斯含量，m3/t；H為煤層埋藏深度，m。

本礦3號煤層埋藏深度為265 m～398 m，則根據式(1)計算礦井3號煤層瓦斯含量為9.67 m3/t～14.75 m3/t。本礦3號煤層基礎參數：

煤層原始瓦斯含量：9.67 m3/t～14.75 m3/t；

煤層透氣性系數：3.223 8 m2/MPa2·d；

鉆孔瓦斯流量衰減系數：0.026 1 d-1；

百米鉆孔瓦斯極限抽放量：12 809 m3；

百米鉆孔初始瓦斯流量：0.079 3 m3/min；

采落煤殘存瓦斯含量：3.05 m3/t。

3 綜采工作面概況

3021綜采工作面3#煤層位于山西組中下部，地質構造簡單，為單斜構造，煤層平均厚度為3.4 m，夾0層～1層矸石；直接頂為泥巖，局部為細粒砂巖、粉砂質泥巖；直接頂下有0.1 m～0.2 m炭質泥巖及灰色泥巖偽頂；老頂為灰色細粒砂巖、泥巖互層；底板為一般砂質泥巖，局部為細粒砂巖，煤層層位穩定，為全區穩定可采煤層。

3021綜采工作面西鄰膠帶大巷，東與陽泰集團小西煤業交界，北為實體煤，南為3019綜采工作面采空區。工作面順槽設計長度663 m，切眼設計長度180 m，綜采一次采全高，全部垮落法管理頂板。工作面通風系統為一進一回，正常情況下工作面配風量為2 350 m3/min，工作面瓦斯濃度為0.30%～0.35%，回風流瓦斯濃度為0.40%～0.55%，上隅角瓦斯濃度為0.65%～0.85%，但工作面上隅角瓦斯出現沿工作面切頂線向采煤空間呈三角形瓦斯超限帶，一般瓦斯濃度在0.65%～0.85%,最大可達1.5%，影響工作面和礦井安全生產。

在以往工作面回采過程中，主要采用吊掛風障引排瓦斯，效果不明顯、不穩定。

4 采煤工作面瓦斯治理技術的選擇

4.1 工作面本煤層抽放

在運輸及回風順槽平行煤層各布置抽放鉆孔進行預抽，在兩順槽各吊掛一趟Φ325 mm瓦斯管路與總回風Φ630 mm高負壓抽放管路連接。

4.2 高位鉆孔抽放瓦斯

在回風順槽布置高位鉆孔對工作面采空區裂隙帶瓦斯進行抽放，連接至回風順槽Φ325 mm高負壓瓦斯管路與總回風Φ630 mm高負壓抽放管路連接。

4.3 上隅角瓦斯抽放

在工作面上隅角插入1根Φ219 mm鎧裝管或2根Φ120 mm鎧裝管，連接至回風順槽Φ219 mm低負壓抽采管路，通過總回風大巷Φ377 mm低負壓瓦斯抽采管路，對上隅角瓦斯進行抽放。

5 采煤工作面瓦斯治理具體方法

5.1 工作面本煤層瓦斯抽放

3021綜采工作面切眼長度為180 m，為避免留下空白帶，施工時順層鉆孔應覆蓋整個工作面。

1) 運輸順槽順層鉆孔。鉆孔設計長度確定為110 m(在實際施工過程中，若遇地質構造或其他因素，造成鉆孔無法按設計完成施工時，鉆孔深度不得低于90 m，并且必須與回風順槽的順層鉆孔對接，對回采煤柱實現抽采全覆蓋)，孔間距為2.0 m，封孔段長度不小于14 m，鉆孔開孔位置距巷道底板1 m左右，根據工作面煤層走向實際，確定鉆孔方位角為180°，傾角確定為4°～6°，孔徑為94 mm。

2) 回風順槽順層鉆孔。鉆孔設計長度為110 m(在實際施工過程中，若遇地質構造或其他因素，造成鉆孔無法按設計完成施工時，鉆孔深度不得低于90 m，并且必須與運輸順槽的順層鉆孔對接，對回采煤柱實現抽采全覆蓋)，孔間距為3.0 m，封孔段長度不小于14 m，鉆孔開孔位置距巷道底板1 m左右，根據工作面煤層走向實際，確定鉆孔方位角為0°；傾角確定為-4°～-6°；孔徑為94 mm。

3) 抽放鉆孔工程量。工作面順槽設計長度為663 m，運輸順槽鉆孔間距為2.0 m，布置306個鉆孔；回風順槽鉆孔間距為3.0 m，布置204個鉆孔；單孔長度設計為110 m，若遇地質構造或其他因素，造成鉆孔無法按設計完成施工時，鉆孔深度不得低于90 m；共布置510個鉆孔，抽放進尺為56 100 m。

4) 管路敷設工程量。兩順槽各吊掛Φ325 mm高負壓抽放管路一趟與總回風Φ630 mm高負壓管路連接，長度共1 520 m。

5) 管路附屬裝置安裝。根據瓦斯抽放規范規定,同時結合工作面管路敷設實際，確定兩順槽Φ325 mm高負壓安裝除渣裝置1組、計量裝置1組、接地裝置3組、放水器3組；根據鉆孔出水情況及巷道走勢，低洼處可臨時加設放水器。單孔出現積水無法排除情況時，可根據現場情況加接單孔放水器或集中放水器。單孔使用CJZ70瓦斯綜合參數測定儀進行抽采參數測定，不再安裝單孔孔板流量計。

6) 預抽效果要求。通過抽放管路參數監測、計算，達到預抽時間后，必須保證煤層殘余瓦斯含量小于8 m3/t，殘余瓦斯壓力小于0.74 MPa。

5.2 回風順槽高位鉆孔抽放瓦斯

1) 抽放方法。采用履帶式抽放鉆機在3021回風順槽頂板布置高位鉆孔對工作面采空區裂隙帶瓦斯進行抽放，鉆孔Φ94 mm，采用Φ50 mm的封孔管，封孔長度14 m。

2) 鉆孔參數。在3021回風順槽內由工作面方向至順槽口依次施工每組8個鉆孔，開孔間距1 m。每組高位孔間距40 m,根據現場實際情況及上一組抽采情況，現場可調整施工參數。詳見表1。

表1 高位鉆孔施工參數設計表

3) 鉆孔工程量。每組高位鉆孔開孔點覆蓋范圍為8 m，相鄰高位鉆場間距為40 m，共布置高位鉆場13個。除第一組高位鉆孔深度按表1施工，其他高位鉆孔長度80 m，總進尺為8 209 m。高位瓦斯抽放孔布置示意圖見第65頁圖1。

4) 管路敷設工程量。3021回風順槽高位鉆孔連接至Φ219 mm低負壓抽放支管與總回風巷Φ377 mm低負壓管路連接，不再敷設專用高位鉆孔抽放管路。

5) 管路附屬裝置安裝工程量。利用3021回風順槽Φ219 mm低負壓抽放管路附屬裝置；根據高位鉆孔出水情況在每組高位鉆場安裝1個集中放水器進行放水。單孔使用CJZ70瓦斯綜合參數測定儀進行抽采參數測定，不再安裝單孔孔板流量計。

圖1 高位瓦斯抽放孔布置示意圖

5.3 上隅角插管抽放瓦斯

1) 在工作面上隅角插入1根～2根Φ219 mm鎧裝軟管，連接至回風順槽Φ219 mm低負壓抽采管路，通過總回風巷Φ377 mm低負壓瓦斯抽采管路，對上隅角瓦斯進行抽放。上隅角插管抽放示意圖如圖2所示。

圖2 上隅角插管抽放示意圖

2) 鎧裝軟管吊掛位置。距頂板200 mm，距順槽煤幫200 mm，插入深度為1 m～2 m(根據上隅角瓦斯情況可適當調整)。同時，采用擋風簾對上隅角封堵，降低或減少采空區瓦斯涌入工作面，迫使瓦斯通過埋設的低負壓抽放管排放至地面，達到有效治理上隅角瓦斯的目的。

6 綜合治理措施效果

3021綜采工作面自2018年7月15日開始采取上述兩項技術方案治理瓦斯后，正常生產期間工作面瓦斯濃度由原來的0.30%～0.35%，控制在0.25%～0.30%；回風流瓦斯濃度由原來的0.40%～0.55%，控制在0.35%～0.40%，上隅角瓦斯濃度由原來的0.65%～0.85%，逐步控制在0.50%～0.55%，保證了工作面及礦井的安全有序生產。

7 結論

1) 上隅角插管抽放，管道必須緊靠回風順槽煤柱側，并吊掛牢固，以盡可能保證管理的高度，提高抽采效果；在管路低洼處設置自動放水器，保證抽放流量。

2) 該抽放方式對單一本煤層、綜采一次采全高工作面，工作面長度在100 m～200 m范圍，瓦斯涌出治理效果明顯。