胡底煤業(yè)1301（上）工作面瓦斯綜合治理技術(shù)研究及應(yīng)用

劉 偉

（山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

山西晉煤集團(tuán)胡底煤業(yè)1301（上）工作面長度為150m，工作面主采3#煤層，煤層均厚5.67m，平均含有一層夾矸，屬全區(qū)穩(wěn)定可采煤層。煤層頂板為黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖，底板為灰黑色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖。1301（上）工作面開采3#煤層上部，采高為2.85m。工作面采用“一進(jìn)一回”U型通風(fēng)系統(tǒng)，回采期間配風(fēng)量為2000m3/min左右。根據(jù)礦井3#煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測試可知，3#煤層原始瓦斯壓力 1.24～3.83MPa，原始瓦斯含量 23.23～25.8m3/t，孔隙率為5.99%～7.18%，透氣性系數(shù)λ為9.01～21.30m2/（MPa2·d）。基于此可知在回采作業(yè)前需進(jìn)行瓦斯抽采作業(yè)，保障工作面的安全回采。

2 瓦斯抽采技術(shù)

2.1 瓦斯來源及抽采可行性

根據(jù)1301（上）工作面的瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果，回采過程中的瓦斯占44.86%，掘進(jìn)工作面瓦斯占21.82%。由此可以看出，礦井瓦斯涌出構(gòu)成中，回采工作面瓦斯涌出量比重較大。在回采工作面瓦斯涌出中，本煤層瓦斯涌出占98.47%，鄰近層瓦斯涌出占1.53%。本煤層瓦斯涌出量較大，應(yīng)加強本煤層瓦斯涌出治理。基于此可知1301工作面的瓦斯涌出量主要來自于本煤層。

礦井3號煤層的百米煤孔初始瓦斯流量為 0.1376～0.1892m3/(min·hm)，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0053d-1～0.0089d-1，透氣性系數(shù)為2.1847～3.9158m2/(MPa2·d)。基于此數(shù)據(jù)可知 3 號煤層的瓦斯屬于可以抽采類型，綜合分析認(rèn)為，1301工作面瓦斯抽采完全可行。

2.2 瓦斯抽采設(shè)計

根據(jù)1301（上）工作面的具體地質(zhì)條件及瓦斯含量，確定1301（上）工作面采用千米鉆機遞進(jìn)式抽采+底抽巷穿層抽采+順層鉆孔抽采+采空區(qū)頂板長鉆孔抽采相結(jié)合的瓦斯綜合治理模式。在1301（上）工作面掘進(jìn)形成時，進(jìn)行千米鉆機遞進(jìn)式抽采作業(yè)，同時布置底抽巷進(jìn)行瓦斯預(yù)抽作業(yè)，隨后在1301（上）工作面回采前及回采中，采用高位順層鉆孔的方式進(jìn)行本煤層的瓦斯抽采作業(yè)，同時采用頂板長鉆孔的方式進(jìn)行采空區(qū)瓦斯的抽采作業(yè)，以此保障1301（上）工作面回采時瓦斯涌出量在安全范圍內(nèi)。

（1）千米鉆機遞進(jìn)式抽采

在1301（上）工作面掘進(jìn)期間，為有效降低待掘區(qū)域的瓦斯含量，采用千米鉆機施工定向鉆孔。千米鉆機鉆孔采用鉆場扇形施工[1-2]，每個鉆場布置鉆孔12個，鉆孔覆蓋范圍一般為400×220m范圍，每個鉆孔設(shè)計3個分支，布置在3號煤層上、下兩個分層中。主孔設(shè)計深度為450m，終孔間距10m，單孔施工進(jìn)尺一般在1200m左右，鉆場工程量為15000m左右，鉆孔施工直徑為96mm，鉆孔控制下一個工作面順槽外30m。具體千米鉆機順層鉆孔的鉆孔布置方式如圖1所示。

圖1 千米鉆機遞進(jìn)式抽采鉆孔布置示意圖

（2）底抽巷穿層抽采

1301工作面回采前，在煤層下方布置底抽巖巷，并在底抽巖巷內(nèi)施工上行穿層鉆孔，與千米區(qū)域遞進(jìn)式相結(jié)合強化抽采，通過布置在巖層中的順槽向上施工穿層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽。在底板巖巷里鉆場的間距為40m，鉆場鉆孔一般為3～6排，每排鉆孔數(shù)為5～8個鉆孔，鉆孔終孔間距一般為5m左右，鉆孔施工完畢必須全部穿透煤層。具體底板巷穿層鉆孔的布置形式如圖2所示。

圖2 底板巷穿層鉆孔布置方式示意圖

（3）順層鉆孔抽采

在1301（上）工作面回采期間，為保障瓦斯不出現(xiàn)超限現(xiàn)象，在工作面采用千米鉆機順層鉆孔大面積預(yù)抽后，在工作面回采前同時采用普通鉆機布置對打鉆孔進(jìn)行本煤層強化預(yù)抽。設(shè)計高位鉆孔長度為100m，鉆孔直徑94mm，鉆孔間距4m。抽采鉆孔采用兩堵一注囊袋式進(jìn)行封孔，設(shè)置封孔深度8m。具體高位順層鉆孔布置方式如圖3所示。

圖3 工作面順層抽采鉆孔布置形式示意圖

（4）采空區(qū)頂板長鉆孔抽采

根據(jù)1301（上）工作面的布置方式，為對1301（上）工作面采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行有效的抽采作業(yè)，在3#煤層工作面的回風(fēng)巷施工迎向工作面推進(jìn)方向的頂板長鉆孔。鉆孔終孔位置位于上方裂隙帶內(nèi)，抽放采空區(qū)及鄰近層的瓦斯。頂板長鉆孔在工作面回采前施工完成。厚煤層分層開采時裂隙帶的高度計算公式如表1所示[3-5]。

表1 厚煤層分層開采時裂隙帶高度計算公式

表1中，上覆巖層按堅硬巖層考慮時，裂隙帶高度55.6～73.4m；上覆巖層按中硬巖層考慮時，裂隙帶高度39.2～50.4m；上覆巖層按軟弱巖層考慮時，裂隙帶高度21.1～29.1m；上覆巖層按極軟弱巖層考慮時，裂隙帶高12.6～18.6m。根據(jù)1301（上）工作面的頂板巖層分布，工作面上覆巖層巖性處于軟弱～中硬之間，以軟弱為主，參照鄰近礦井采用鄰近層抽采時裂隙帶的高度。綜合以上分析確定裂隙帶高度為25～35m。

根據(jù)工作面裂隙帶的發(fā)育高度，設(shè)置頂板長鉆孔直徑為94mm，鉆場間距40m，每個鉆場布置5個鉆孔。鉆孔終孔位置距工作面頂板距離約25～35m，距離工作面?zhèn)葞图s20～30m左右，鉆孔傾角15～20°，鉆孔長度約80～130m，以實際終孔位置位于上方裂隙帶內(nèi)為準(zhǔn)。具體采空區(qū)頂板長鉆孔布置方式及鉆孔的布置各項參數(shù)如圖4所示。

圖4 采空區(qū)頂板長鉆孔布置方式示意圖

3 抽采效果

為有效對1301（上）工作面的瓦斯抽采效果進(jìn)行分析，在1301（上）工作面進(jìn)行順層鉆孔瓦斯抽采作業(yè)時，對順層鉆孔的瓦斯抽采量進(jìn)行有效的監(jiān)測，并隨機抽取對不同抽采日期下不同鉆孔的瓦斯抽采濃度進(jìn)行監(jiān)測，具體對1-1#、2-3#和3-5#抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度進(jìn)行具體分析。具體三個鉆孔的瓦斯抽采濃度曲線如圖5所示。

圖5 順層鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖

通過具體分析圖5能夠得出，1301（上）工作面順層鉆孔的瓦斯抽采濃度在38%～58%的范圍內(nèi)，瓦斯抽采的效率較高。順層鉆孔的瓦斯抽采濃度隨著工作面的逐漸向前推進(jìn)，鉆孔的瓦斯抽采濃度在逐漸增大。基于此可知，工作面順層鉆孔的瓦斯抽采受到覆巖垮落的影響較大。根據(jù)順層鉆孔的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，單個順層鉆孔的瓦斯抽采各項效果如表2所示。

表2 順層鉆孔瓦斯抽采效果各項參數(shù)

另外在工作面回采期間，通過對頂板長鉆孔采空區(qū)瓦斯抽采的效果進(jìn)行監(jiān)測分析，得出1301（上）工作面回采期間采空區(qū)抽采效果如表3所示。

表3 1301（上）工作面采空區(qū)頂板長鉆孔抽采效果

在1301（上）工作面回采期間，工作面上隅角的瓦斯含量控制在0.47%～0.78%之間，工作面回風(fēng)順槽內(nèi)的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诹?.40%～0.74%之間，1301（上）工作面及回風(fēng)順槽內(nèi)的瓦斯含量均小于預(yù)設(shè)的瓦斯?jié)舛葓缶?.8%。基于此可知，1301（上）工作面采用的瓦斯綜合治理技術(shù)實現(xiàn)了工作面回采期間無瓦斯超限現(xiàn)象。

4 結(jié)論

根據(jù)1301（上）工作面具體的瓦斯賦存情況及地質(zhì)條件，確定工作面采用千米鉆機遞進(jìn)式抽采+底抽巷穿層抽采+順層鉆孔抽采+采空區(qū)頂板長鉆孔抽采相結(jié)合的瓦斯綜合治理技術(shù)，并對每種抽采方式的各項參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計。監(jiān)測結(jié)果表明，1301（上）工作面采用上述綜合治理技術(shù)后，實現(xiàn)了瓦斯的高效抽采，保障了工作面的安全回采。