高瓦斯煤層工作面瓦斯綜合治理技術及應用

張 元

(山西焦煤霍州煤電 沁安煤電有限責任公司，山西 長治 046500)

某礦目前配采的15號煤層，煤厚1.29～5.63 m，平均3.72 m，一般在3.00 m以上，煤層傾角0～7°。由煤層瓦斯基礎參數的測定可知，煤層真密度1.85 t/m3，視密度1.68 t/m3，孔隙率9.19%，容重16.8 kN/m3，△P為32.70，f值為1.40，瓦斯壓力測定值在0.1～0.52 MPa，瓦斯壓力反算的瓦斯含量為4.3～13.9 m3/t，鉆孔衰減系數0.090 2 d-1，煤層透氣性系數0.180 m2/ (MPa2·d)。15號煤層采用綜合機械化大采高，掘進采用連采連掘工藝。為了保證礦井的正常采掘銜接，必須對煤層進行瓦斯抽采和治理。

1 工作面概況

XV1302工作面位于15號煤層北翼一盤區，工作面寬度為200 m，采用“兩進兩回”四巷布置，膠帶巷和輔助巷進風，輔運巷和輔助巷回風，工作面巷道均沿15號煤層頂板布置，均為全煤巷道。掘進時采用“一進一回”U型通風，聯絡橫川的間距為60 m，采用分區式通風，機械抽出式通風方法(圖1)。

圖1 工作面通風示意

2 工作面瓦斯綜合治理方案

對于高瓦斯煤層，瓦斯的治理應采取多種方法相結合的方式。在時間和空間上構成一個完整的治理體系。首先在未卸壓區域進行預抽(包括回采和掘進)，隨后在回采和掘進過程中實現邊采(掘)邊抽；同時可在上區段巷道中布置千米鉆孔抽采，用來掩護下區段巷道的掘進，兩者相互結合[1]。

瓦斯治理除了抽采外還有通風系統優化等，它們都是瓦斯綜合治理重要組成部分。通風系統和抽采系統也是相互關聯的，因此瓦斯治理要統籌全局，且不可盲目治理瓦斯而忽略其對通風系統的影響[2]。

因15號煤層瓦斯含量較大，前期已施工了地面鉆井抽采瓦斯，但回采工作面瓦斯涌出量最高仍有22.60 m3/min。所以對本煤層工作面瓦斯的治理，還應采用多種方式綜合治理的模式。

3 工作面瓦斯綜合治理技術

3.1 掘進工作面的瓦斯治理

為解決采掘接繼困難問題，需提高掘進速度，可在掘進面采用順層長鉆孔預抽，輔以千米鉆機預抽掘進面瓦斯方案。

采用煤巷掘進工作面順層長鉆孔預抽區段煤層瓦斯方案時，開孔位置可以在迎頭或巷道兩幫的鉆場內，也可以同時開孔。具體如下：

掘進工作面鉆場的間距為40 m，鉆場平行布置，每個鉆場布置2排，每排施工21個鉆孔，總共施工42個鉆孔。采用液壓鉆機施工D89 mm，孔深60 m鉆孔，鉆孔控制距離為15 m。預抽孔的封孔距離為8 m。鉆孔施工完成后把抽采管路接入礦井已有的抽采管路系統，具體布置如圖2所示。

圖2 掘進工作面順層長鉆孔布置示意(m)

采用千米鉆機預抽時，根據15號煤層的情況，斷面5 m×3.5 m共設計2個鉆孔，設計200～300 m，第一個鉆孔主孔深度250 m，第二個鉆孔主孔深度300 m。

3.2 回采前煤層預抽瓦斯

從15號煤層目前的抽采效果可知，屬于可以預抽煤層。在開采前期，應提前預抽。采用的治理措施為，在回風巷施工順層鉆孔抽采本煤層瓦斯；在局部空白帶，用普通鉆機補充鉆孔，保證在大面積預抽區域無死角地帶以及千米鉆機施工長鉆孔預抽瓦斯。具體如下：

施工地點為回風巷道，方位角垂直于煤壁方向，鉆孔孔徑為94 mm。鉆孔間距為3～5 m，孔深180 m；所有鉆孔與巷運呈90°夾角布置。終孔直徑d0=94 mm。負壓范圍為13～20 kPa，封孔材料選用水泥砂漿。

在局部空白帶，可采用普通鉆機補充鉆孔，保證在大面積預抽區域無死角地帶。通過抽采瓦斯的考察效果，來進行區域大面積增補鉆孔。

考慮到15號煤層的厚度，可采用用千米鉆機進行預抽。其施工工藝為，每隔500 m施工一個千米鉆機鉆場，鉆孔采用走向順層施工，間距為3～5 m，覆蓋范圍500 m×200 m，直徑為96 mm。鉆孔布置方式如圖3所示。

圖3 走向順層鉆孔區域預抽示意

根據某礦15號煤層巷道開拓情況，布孔方式為扇形，鉆孔個數15個，覆蓋范圍為400 m×400 m，每個鉆孔的分支數為3～4個，主孔約550 m，分支孔的走向垂距約為13 m，單孔施工進尺一般在約1 200～2 000 m。孔徑為96 mm，鉆孔施工超前距為30 m。具體的千米鉆機鉆孔布置如圖4所示。

圖4 工作面預抽鉆孔布置示意

3.3 工作面回采時的瓦斯治理

邊采邊抽可以用來治理回采期間的瓦斯涌出問題。當預抽時間不足以保證礦井的采掘銜接時，可采用邊采邊抽[3]。采動的過程會使煤體卸壓，給瓦斯造成了新的裂隙空間和流通通道，煤層抽采效果顯著，從而降低回采期間的瓦斯涌出[4]。

具體方案如下：

工作面前方抽采鉆孔可以提前布置施工，在回采生產過程中邊采邊抽，抽采時間一般是8 h。待工作面回采推進距抽采鉆孔1～3 m時，停止抽采瓦斯，以免通過煤層裂隙吸入空氣[5]。

邊采邊抽是工作面采前預抽的延續，不需要再動工程，但必須做好管理工作，隨著工作面的推進，靠近切眼的抽采鉆孔不斷失效，抽采管路也因逐段卸下而不斷變短，XV1302工作面前超前支護大約20 m。由于工作面煤質較硬，鉆孔保存完好，在鉆孔報廢時應及時關閉，以免采面割煤割透鉆孔漏氣，影響抽采效果。其抽采鉆孔與抽管路連接如圖5所示。

圖5 邊采邊抽時抽采鉆孔與抽管路連接示意

3.4 采空區的瓦斯治理

目前回采的工作面，即新采空區，采用的是鉆孔抽采的方法。老采空區(已經采過的工作面)采用的是全封閉式抽采的方法。

1) 頂板高位鉆孔。在工作面的回風巷，朝著工作面推進方向的頂板打8個扇形孔，將鉆孔布置在裂隙帶中，從而進行抽采。負壓改變了工作面上隅角瓦斯流場。以此達到解決工作采空區瓦斯涌出、上隅角瓦斯超限的問題(圖6)。

圖6 傾向高位鉆孔抽采上隅角瓦斯示意

2) 全封閉采空區抽采。全封閉采空區老采空區，老采空區內存在大量高濃度瓦斯，從而增加礦井通風的負擔和不安全因素。

為了減少密閉采空區的瓦斯向工作面的涌出，采用上隅角插管的方法，抽采上隅角的瓦斯[6]。具體施工如圖7所示。采空區插管和主管均需安裝閥門，用閥門來控制抽采量及濃度，防治瓦斯向工作面涌出。

圖7 全封閉采空區瓦斯抽采布置

4 治理效果

工作面回采期間，抽采瓦斯的平均濃度為1.55%，瓦斯抽采純量1.63 m3/min；頂板傾向高位鉆孔抽采瓦斯的平均濃度為13.22%，瓦斯抽采純量9.33 m3/min。目前礦井煤層抽采率約為63.20%，瓦斯抽采達標，上隅角瓦斯未出現超限問題。采取的綜合治理技術保障了工作面的正常、安全生產，使礦井采掘接續步入良性發展，為礦井創造了良好的安全生產環境，取得了良好的經濟效益。

5 結 語

1) 通過在掘進面施工“長鉆孔+千米鉆孔”預抽的方法，解決了采掘緊張的問題，使礦井采掘接續步入良性發展。

2) 通過采前對工作面施工順層鉆孔，局部空白帶，用普通鉆機補充鉆孔，以及千米鉆機施工長鉆孔預抽瓦斯，工作面邊采邊抽技術對于降低回采期間的瓦斯起到重要作用。

3) 通過高位鉆孔抽采裂隙帶的采空區瓦斯，以及全封閉采空區瓦斯抽采，較大程度降低了上隅角瓦斯濃度。

總之，通過對工作面采取瓦斯綜合治理技術，解決了工作面煤層存在的瓦斯壓力大、采掘接繼困難等問題,保證了礦井安全及正常生產。