工作面沿空留巷Y 型通風條件下瓦斯治理技術

田晉峰

（山西蘭花科創股份有限公司大陽煤礦分公司，山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦為高瓦斯礦井，3405 工作面位于3#煤層四采區。3#煤層厚度為3.79～7.19 m，平均厚6.09 m，煤層自燃傾向性等級為Ⅲ級，屬于不易自燃煤層，煤塵無爆炸性，煤層原始瓦斯含量7.43 m3/t，瓦斯壓力0.49 MPa，煤層透氣性系數為0.441 1～0.534 5 m2/(MPa2·d)，煤層頂板巖層為泥巖和粉砂巖，底板巖層為泥巖和砂質泥巖。3405 工作面采用沿空留巷工藝，工作面開切眼長度176 m，回采順槽長度為1541 m，工作面采煤方法為綜合機械化放頂煤開采，通風方式為Y 型通風。

2 工作面瓦斯治理技術

根據3405 綜放工作面煤層瓦斯賦存具體情況，通過分析得出工作面回采期間瓦斯涌出的主要來源為工作面煤體瓦斯涌出與采空區瓦斯涌出。基于上述分析，結合工作面的具體特征，確定3405 工作面的瓦斯治理方案為：本煤層鉆孔抽采+高位鉆孔抽采+沿空留巷柔模埋管相結合的瓦斯抽采方式。

（1）本煤層瓦斯抽采。在工作面回采作業前，進行本煤層瓦斯抽采作業。抽采方式采用順層鉆孔，鉆孔布置在進風順槽與回風順槽內，鉆孔直徑為75 mm，長度為70 m，進風與回風順槽垂直布置，開孔距離巷道底板1.5 m，設置抽采鉆孔間的間距為3 m，封孔方式采用“兩堵一注”注漿封孔，封孔后連接到高負壓抽采管路進行抽采。具體本煤層順層鉆孔的布置形式如圖1 所示。

圖1 本煤層順層鉆孔布置示意圖

（2）高位鉆孔抽采。在進行頂板高位鉆孔布置時，高位鉆孔在軌道巷內布設，具體鉆孔布置的各項形式及參數如圖2 所示。

圖2 高位鉆孔參數計算原理圖

根據圖2 中的幾何關系，能夠推導得出鉆孔與軌道巷間夾角γ、鉆孔傾角β及鉆孔長度L的計算表達式為：

式中各項符號的含義與圖2 中相同。根據式（1）結合3405 工作面的具體情況進行頂板高位鉆孔參數的設置，頂板高位鉆孔布置在軌道巷一側，設置鉆場的高位鉆場間的間距為40 m，每個鉆場內設置8 個抽采鉆孔，鉆孔呈扇形布置，直徑為94 mm，鉆孔終孔距煤層頂板約12～25 m，孔深120～125 m。具體頂板高位鉆孔的各項布置參數如表1 所示，布置剖面圖如圖3 所示。頂板高位鉆孔采用A、B 膠分段式封孔，封孔長度12 m，封孔后連接到高負壓抽采管路。

表1 頂板高位鉆孔布置參數表

圖3 頂板高位鉆孔布置剖面圖

（3）沿空留巷柔模墻體預埋管抽采。隨著工作面回采作業的進行，頂板巖層會逐漸垮落，進而形成覆巖三帶。在冒落帶中，巖體呈現為不規則垮落，且松散系數角度大，進而致使采空區內的瓦斯會隨著風流流至工作面區域，從而引起工作面瓦斯超限現象的出現。在進行沿空留巷柔模插管抽采時，需將抽采管路盡量布置在冒落帶的中部，以保障抽采效果。其中冒落帶表達式為：

式中：

mz-覆巖冒落帶的高度，m；

h-煤層的厚度，m；

Δ-因丟煤引起的充填系數；

km-冒落頂煤的碎脹系數；

c-煤層采出率；

kp-冒落帶巖石的碎脹系數。

結 合3405 工 作 面 具 體 情 況， 取h=6 m，c=0.86，kp=1.3，km=1.1，計算得出冒落帶的高度約為16.92 m。結合軌道順槽掘進作業時沿煤層底板掘進，巷道高度為3.6 m，底煤約為2.5 m，基于抽采管路盡量布置在冒落帶中部的原則，設置抽采管路布置在柔模墻體距離底板3.1 m 的位置處，與留巷頂板之間距離為0.5 m，管路與柔模墻體之間垂直布置。

具體布置形式為：在每個柔模墻體上預埋兩根長1.8 m、直徑Φ159 mm 的抽放管路，在低負壓瓦斯抽采管路支管上每隔18 m 安裝一個三通，通過鋼絲骨架軟管與支管連接。同時為減小回風流瓦斯濃度，采用化學快速噴涂材料對沿空留巷墻體間的空隙進行封堵。在沿空留巷柔模墻體上使用了四臺瓦斯稀釋器，對擋矸架處風流死角區域和采空區進行了抽放。采空區柔模埋管抽放緊跟稀釋器后，并減小對采空區抽放范圍，增大對擋矸架后區域的抽放，形成擋矸架后集中抽放效應。

3 治理效果分析

3.1 順層鉆孔瓦斯抽采效果

在3405 工作面順層鉆孔抽采期間進行瓦斯抽采濃度和抽采純量監測作業，通過對監測結果的分析，得出順層鉆孔的具體抽放效果如表2 所示。

表2 順層鉆孔瓦斯抽采效果表

3.2 頂板高位鉆孔抽采效果

在頂板高位鉆孔抽采期間，根據瓦斯抽采監測數據得出瓦斯抽采濃度隨時間變化的曲線，現具體分析2018 年10 月28 日至2018 年12 月22 日的抽采瓦斯濃度曲線，如圖4 所示。分析圖4 能夠得出，頂板高位鉆孔在2018 年10 月28 日至2018 年12月22 日期間，鉆孔的瓦斯抽采濃度在5%～20%的范圍內，平均瓦斯抽采濃度為13%，瓦斯抽采的純量在4～14 m3/min 的范圍內，平均抽采瓦斯純量為13 m3/min。

另外通過瓦斯涌出量及頂板高位鉆孔瓦斯抽采量的監測數據可知，高位鉆孔的瓦斯抽采量占到總體瓦斯涌出的20.1%～80.2%，平均占到60%，抽采效果顯著。

3.3 沿空留巷柔模埋管抽采效果

通過沿空留巷柔模埋管抽采期間的監測數據，能夠得出埋管瓦斯抽放效果如表3 所示。

圖4 頂板高位鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線圖

表3 柔模埋管抽采效果表

3.4 工作面瓦斯治理效果

在3405 工作面回采期間，對工作面回風巷、上隅角及工作面內的瓦斯含量進行持續監測，根據監測結果能夠得出回采期間瓦斯濃度的變化曲線。現具體分析2018 年10 月28 日—12 月22 日期間的瓦斯曲線，如圖5 所示。

圖5 回采期間工作面區域瓦斯濃度曲線圖

根據圖5 可知，在3405 工作面回采期間，工作面瓦斯濃度的最大值為0.62%，上隅角瓦斯濃度的最大值為0.60%，回風巷瓦斯濃度的最大值為0.52%。回采期間工作面區域瓦斯濃度均穩定在0.7%以下，無瓦斯超限現象出現，為工作面的安全回采提供了保障。

4 結論

根據3405 工作面區域煤體的瓦斯賦存情況，結合沿空留巷“Y”型通風的特征，確定工作面瓦斯抽采采用本煤層鉆孔抽采+高位鉆孔抽采+沿空留巷柔模埋管相結合的瓦斯抽采方式，結合工作面特征進行各項抽采措施具體參數的設計。抽采方案實施后，工作面回采期間，工作面、上隅角及回風巷內的瓦斯均穩定在0.7%以下，為工作面安全回采提供了保障。