復(fù)雜瓦斯地質(zhì)條件下回采工作面瓦斯治理技術(shù)

王文柱

（山西壽陽(yáng)段王煤業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 壽陽(yáng) 045400）

1 工作面概況

段王煤礦正在回采090507 工作面，回采煤層為8+9 號(hào)，采用綜采放頂煤開采工藝。090507 工作面位于一水平的0105 采區(qū)東翼，標(biāo)高為+760～ +990 m，走向長(zhǎng)度為2612 m，傾向長(zhǎng)度為180 m。工作面煤層賦存較為穩(wěn)定，煤層平均厚度4.4 m，傾角4～8°，平均6°，埋深由西向東從188 m 逐漸增加到414 m，是目前8+9 號(hào)煤層開采的最深部。工作面煤層瓦斯含量在4.81～7.74 m3/t 之間。

2 工作面瓦斯情況

2.1 工作面瓦斯賦存

090507 工作面瓦斯賦存受埋深和地質(zhì)構(gòu)造影響，工作面中部聯(lián)巷向外埋深較小且陷落柱較多，有利于瓦斯散逸，瓦斯含量偏低；中部聯(lián)巷向里埋深較大，瓦斯含量較高；工作面中部聯(lián)巷區(qū)域以及拐點(diǎn)區(qū)域受應(yīng)力集中影響局部煤層透氣性較差，瓦斯含量較高；工作面拐點(diǎn)向里受15 號(hào)煤保護(hù)層開采影響，煤層透氣性變好，煤層瓦斯解吸釋放，含量稍微減小。

2.2 工作面瓦斯治理難點(diǎn)

通過(guò)分析，090507 綜采放頂煤工作面存在瓦斯治理的難點(diǎn)有：

（1）由于巷道布置的關(guān)系，將工作面由偏“W”型通風(fēng)改為“U”型通風(fēng)，影響通風(fēng)排瓦斯；

（2）工作面初采區(qū)域埋深最大，地質(zhì)條件有利于瓦斯保存，瓦斯含量高，回采時(shí)容易導(dǎo)致瓦斯涌出量較大，增加回采初期瓦斯治理難度；

（3）工作面上鄰近層瓦斯含量大，層間距小，回采過(guò)程中鄰近層瓦斯涌出量大；

（4）工作面膠帶巷側(cè)有部分三角區(qū)域與下方15 號(hào)煤層四采區(qū)的老空區(qū)范圍重合（如圖1 所示），在回采過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致15 煤老采空區(qū)瓦斯涌入到工作面；

（5）綜放工藝導(dǎo)致的采空區(qū)遺煤解吸瓦斯會(huì)增加上隅角瓦斯治理負(fù)擔(dān)；

（6）工作面鉆孔工程量大，工期短，瓦斯治理時(shí)間非常緊張。

圖 1 150401 工作面采空區(qū)與090507 工作面位置關(guān)系圖

3 瓦斯綜合治理

3.1 瓦斯綜合治理模式

為提高段王煤礦瓦斯治理水平和切實(shí)解決回采工作面的瓦斯治理難題，段王煤礦加強(qiáng)與科研院所合作，利用先進(jìn)的瓦斯治理理念和技術(shù)手段，緊密結(jié)合090507 工作面實(shí)際，形成了“一段一策”的瓦斯治理模式。具體來(lái)說(shuō)，從技術(shù)層面上，根據(jù)工作面的地質(zhì)條件、鄰近層瓦斯含量、鄰近工作面的層位關(guān)系、瓦斯賦存狀態(tài)、埋深等因素，將工作面劃分成若干個(gè)塊段，對(duì)每一個(gè)塊段采取有效的技術(shù)手段進(jìn)行靶向治理；從管理層面上，改變瓦斯治理思路，重視本煤層瓦斯抽采，擴(kuò)容瓦斯抽采渠道，增加高位鉆場(chǎng)設(shè)置部位，優(yōu)化鉆孔布置，改進(jìn)連孔工藝，由“一孔一連接”改為“多孔分組連接”，改變封孔工藝，推廣使用“兩堵一注”封孔技術(shù)，增加高位鉆孔直徑，提高抽采效果，實(shí)現(xiàn)工作面瓦斯綜合治理的目的。

3.2 塊段劃分

根據(jù)“一段一策”的瓦斯治理理念，將090507工作面劃分為4 個(gè)塊段，分別是：塊段一，范圍包括工作面膠帶巷側(cè)1825～2612 m 之間與下方15 號(hào)煤層四采區(qū)的老空區(qū)所疊加形成的三角形狀區(qū)域；塊段二，范圍包括工作面1825 m 處至工作面切眼除去塊段一后的剩余區(qū)域；塊段三，范圍包括工作面1200～1750 m 區(qū)域；塊段四，范圍包括工作面0～1200 m 區(qū)域。劃分區(qū)域如圖2 所示。

圖 2 工作面“一段一策”塊段劃分示意圖

3.3 瓦斯治理措施

3.3.1 塊段一瓦斯治理措施

（1）本煤層鉆孔預(yù)抽

該區(qū)域內(nèi)工作面膠帶巷一側(cè)下部為15 煤采空區(qū)，對(duì)靠近膠帶巷的區(qū)域煤層有一定程度的卸壓釋放作用，煤層透氣性也大大增加。因此本煤層抽采鉆孔設(shè)計(jì)膠帶巷和軌道巷雙側(cè)打孔，鉆孔開孔高度為1.3 m，間距2 m，孔徑94 mm，孔深95 m，鉆孔垂直于煤壁。

（2）頂板高位鉆孔

通過(guò)對(duì)段王礦8+9 號(hào)煤層頂板巖性及活動(dòng)規(guī)律研究，由于初采階段的瓦斯涌出量較大，膠帶巷側(cè)每間隔50 m 設(shè)置一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置6個(gè)鉆孔，鉆孔傾角為21～24°，鉆孔與巷道夾角為9～25°，鉆孔平均深度105 m，鉆孔直徑113 mm，終孔位于膠帶巷內(nèi)錯(cuò)15～45 m、高度距煤層頂板35～40 m 之間。鉆孔布置示意圖如圖3 所示。

圖 3 膠帶巷內(nèi)高位鉆孔布置示意圖

（3）下向鉆孔

在膠帶巷側(cè)施工下向鉆孔進(jìn)行抽采攔截15 號(hào)煤層老空區(qū)瓦斯，設(shè)計(jì)于本煤層鉆場(chǎng)中施工2 個(gè)下向鉆孔（如圖4 所示）。鉆孔傾角分別為-46°和-27°，鉆孔方位角為115°和252°，平均深度為124 m，鉆孔直徑為113 mm。

圖4 膠帶巷下向鉆孔設(shè)計(jì)示意圖

3.3.2 塊段二瓦斯治理措施

（1）本煤層鉆孔預(yù)抽

該塊段內(nèi)煤層埋深較深，瓦斯含量高，因此該區(qū)域采用雙側(cè)布孔，沿用塊段一的鉆孔布置方式。

（2）頂板高位鉆孔

根據(jù)工作面拐點(diǎn)以東區(qū)域瓦斯含量較大、初采階段的瓦斯涌出特點(diǎn)和鉆孔抽采搭接時(shí)效等因素，軌道巷側(cè)每間隔70 m 設(shè)置一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置16 個(gè)鉆孔，鉆孔分為兩排布置，鉆孔傾角分別為13°和18°，終孔高度距煤層頂板分別30 m、40 m，孔徑113 mm，覆蓋范圍內(nèi)錯(cuò)軌道巷10～66 m。鉆孔布置示意圖如圖5 所示。

圖5 塊段二軌道巷內(nèi)高位鉆孔布置示意圖

3.3.3 塊段三瓦斯治理措施

（1）本煤層鉆孔預(yù)抽

該塊段內(nèi)煤層埋深和瓦斯含量均低于初采區(qū)域，結(jié)合工作面長(zhǎng)度較長(zhǎng)的實(shí)際情況，該區(qū)域采用雙側(cè)布孔。膠帶巷和軌道巷側(cè)鉆孔開孔高度為1.3 m，間距4 m，孔徑94 mm，孔深95 m，鉆孔垂直于煤壁。

（2）頂板高位鉆孔

膠帶巷側(cè)每間隔50 m 設(shè)置一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置6 個(gè)鉆孔。鉆孔參數(shù)及鉆孔布置示意圖同塊段一。

軌道巷側(cè)每間隔70 m 設(shè)置一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置16 個(gè)鉆孔。鉆孔參數(shù)及鉆孔布置示意圖同塊段二。

3.3.4 塊段四瓦斯治理措施

（1）本煤層鉆孔預(yù)抽

該塊段內(nèi)煤層埋深較淺，瓦斯含量較低，因此該區(qū)域在軌道巷單側(cè)布孔。鉆孔開孔高度為1.3 m，間距6 m，孔徑94 mm，孔深165 m，鉆孔垂直于煤壁。

（2）頂板高位鉆孔

軌道巷側(cè)每間隔50 m 設(shè)置一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置6 個(gè)鉆孔，鉆孔傾角為22～24°，鉆孔與巷道夾角為4～25°，孔徑113 mm，平均孔深為110 m，終孔距煤層頂板40 m，覆蓋范圍內(nèi)錯(cuò)軌道巷7～50 m。

3.3.5 上隅角埋管抽放

在軌道巷布置直徑457 mm 的一趟管路進(jìn)入采空區(qū)，如圖6 所示。每間隔15～30 m 將抽放管接頭錯(cuò)開，實(shí)現(xiàn)分段連續(xù)抽放。

圖6 上隅角埋管抽放瓦斯方法示意圖

3.4 瓦斯治理效果分析

（1）090507 膠帶巷側(cè)本煤層鉆孔抽采效果。鉆孔在抽采開始后0～7 d 單孔抽采濃度最高達(dá)到60%，7～49 d 鉆孔平均抽采濃度在38% 左右，49～113 d 鉆孔平均濃度在24%左右，113 d 后平均濃度在11%左右，并保持穩(wěn)定。分析認(rèn)為，皮帶巷鉆孔抽采瓦斯很大一部分來(lái)源于下部15 號(hào)煤老空區(qū)，從而使鉆孔瓦斯能夠在較高的濃度下持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

（2）090507 軌道巷本煤層鉆孔抽采效果。鉆孔開始抽采0～8 d 抽采濃度最高為75%，抽采8～50 d 后，抽采濃度平均維持在33%左右，抽采50～92 d，鉆孔抽采平均濃度維持在25%，抽采92 d 后，鉆孔平均濃度下降到10%，并保持穩(wěn)定。

（3）高位鉆孔抽采效果。統(tǒng)計(jì)所有高位鉆孔的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鉆孔有效抽采時(shí)間和利用率較高。其中，5 號(hào)鉆場(chǎng)中高位鉆孔的平均長(zhǎng)度為109.3 m，高位鉆孔有效抽采平距平均為69.5 m，有效抽采時(shí)間為14.5 d，鉆孔利用率為63.6%；9 號(hào)鉆場(chǎng)中高位鉆孔的平均長(zhǎng)度為130.5 m，高位鉆孔的有效抽采平距平均為110.6 m，有效抽采時(shí)間為24.3 d，鉆孔利用率為84.8%。

（4）上隅角瓦斯抽采效果。090507 工作面于2018 年4 月9 日開始進(jìn)行上隅角抽放，抽放系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。上隅角埋管抽采效果與工作面周期來(lái)壓的關(guān)系密切，周期來(lái)壓期間頂板垮落上隅角埋管抽放效果較好，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)上隅角瓦斯抽采濃度維持在0.5%～1.4%之間。

4 結(jié)論

（1）段王煤礦090507 工作面受復(fù)雜地質(zhì)條件影響，煤層瓦斯含量分布差異性較大，給瓦斯治理工作帶來(lái)了難度。通過(guò)與科研院所合作，引進(jìn)先進(jìn)理念、先進(jìn)技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)，在摸清了段王礦瓦斯賦存規(guī)律的前提下，提出了“一段一策”的瓦斯治理模式，對(duì)不同塊段采取不同的治理措施，實(shí)現(xiàn)了工作面瓦斯綜合治理的目的。

（2）通過(guò)采用新的瓦斯治理理念和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)090507 工作面由偏“W”型通風(fēng)轉(zhuǎn)為“U”型通風(fēng)，減少巷道掘進(jìn)量，既降低了礦井生產(chǎn)成本，又大大緩解了礦井采掘接替緊張的局面。

（3）工作面瓦斯實(shí)行分段治理后，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛扔沙跗谖椿夭蓵r(shí)的0.36%～0.49%，平均為0.42%，降低到穩(wěn)定生產(chǎn)時(shí)的0.22%～0.34%，平均為0.25%。在工作面最高月產(chǎn)達(dá)到18 萬(wàn)t 情況下，瓦斯零超限，保障了工作面安全高效生產(chǎn)。