高瓦斯礦井分層開采工作面的瓦斯治理實踐

王新偉

(晉能控股煤業集團 固隆煤業，山西 晉城 048006)

綜采工作面瓦斯治理是高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井瓦斯治理的重點和難點，針對工作面回采期間的瓦斯治理，普遍采用頂板鉆孔、采空區埋管等方法[1-3].厚煤層采用分層開采，與一次采全高工作面在開采工藝上有較大區別，傳統的瓦斯治理方法，對于采用分層開采的礦井來講是否適用，需根據具體情況進行分析。程廣[4]分析了高瓦斯厚煤層開采技術及瓦斯事故原因,提出了開采過程中的瓦斯防治技術措施；周廷揚等[5]通過對白芨溝礦高瓦斯厚煤層2621區段2621首分層回采工作面回采期間瓦斯綜合治理技術等的研究，形成了適合高瓦斯厚煤層分層開采的瓦斯綜合治理關鍵技術體系。針對高瓦斯礦井或煤與瓦斯突出礦井的厚煤層分層開采，采用何種瓦斯治理方法最為有效，應根據具體工作面確定。岳城煤礦為高瓦斯礦井，位于山西沁水盆地南部，井田范圍內3號、9號和15號為可采煤層，現開采3號煤層，采用分層開采的回采方式。針對不同分層瓦斯涌出的差異，需要采用不同的瓦斯治理技術以實現高瓦斯區域低瓦斯開采的目標。

1 礦井概況

岳城煤礦主采3#煤層結構簡單，埋深427～532 m，平均煤厚6 m，煤層傾角3°～5°，煤層為Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵無爆炸性。依據實測的瓦斯基礎參數，3#煤層原始瓦斯含量為14.45 m3/t，煤層透氣性系數為29.25 m/MPa2·d，衰減系數為0.047 5～0.070 4 d-1.回采面采用走向長壁后退式綜合機械化分層開采工藝。工作面走向長870 m，傾斜長116 m，采用的分層開采方法是先回采上部分層，待上部分層回采完畢并封閉采空區后再回采下部分層。1308(上)分層工作面走向長度870 m，傾向長度116 m，預抽前瓦斯含量14.45 m3/t，預抽后瓦斯含量6.3 m3/t，工作面配風量1 080 m3/min，采高3.1 m.1308(下)分層工作面配風量980 m3/min，采高3.0 m，風排瓦斯量1.1 m3/min，回風瓦斯濃度0.1%，上隅角瓦斯濃度0.25%.

上分層工作面采用“兩進一回”的通風方式，見圖1.下分層采用“U”型通風方式。本煤層瓦斯治理主要采取地面鉆井預抽、區域模塊抽采、順槽和迎頭密集鉆孔抽采“三位一體”治理模式，地面預抽鉆井通常提前盤區開采4～8年布置，服務年限6～10年，經地面鉆井預抽后煤體瓦斯含量降至12 m3/t以下，隨后在工作面采掘過程中地面鉆井將被停抽封井。由于開采上分層時，煤層和圍巖受采動影響，瓦斯應力狀態改變，裂隙內積存的瓦斯會大量釋放到采掘空間中，給工作面瓦斯治理帶來壓力[6-7].上分層開采時，下分層應力釋放后會釋放大量的游離瓦斯，是造成上分層巷道內瓦斯大量涌出的主要原因。因此，上分層開采期間的瓦斯治理是綜采工作面瓦斯治理的重點和難點。

圖1 上分層工作面通風系統圖

2 工作面瓦斯治理

2.1 上分層瓦斯治理技術

1)順層鉆孔抽采。

順層鉆孔瓦斯抽采是回采工作面最主要的瓦斯治理方法，在我國的煤礦瓦斯治理中最為常見。岳城礦為高瓦斯礦井，其1308(上)分層采面共布置順層鉆孔181個，其中進風巷75個，回風巷106個，總進尺9 075.2 m.2018年12月—2019年10月，累計預抽采瓦斯62.9萬m3，工作面抽采率27.47%，工作面順層鉆孔抽采量約1.6 m3/min.

2)采動井抽采。

為有效保障上部分層安全生產，采用本煤層順層鉆孔抽采預抽后，在工作面回采前將地面采動井施工到位。采動井布置在工作面回風巷一側，距回風巷50 m，距工作面切眼500 m(見圖1).隨著工作面的回采，煤層頂板上方的裂隙逐漸形成，開采空間的瓦斯在升浮特性的作用下，從形成的裂隙間滲流，在頂板上方區域富集。利用地面設置的抽采泵站抽采負壓的作用，井下瓦斯輸送至地面，排除瓦斯向采掘空間擴散的風險。鉆井為三次開井，一開用d325 mm鉆頭鉆過風化帶巖層至基巖以下10 m位置，一開結束后下入d273 mm的J55或N80套管，套管下入后注水泥固井；二開用d244.5 mm的鉆頭，鉆至煤層頂板以上30 m位置，二開結束后下入d177.8 mm的N80套管，套管下入后注水泥固井；三開用d146 mm鉆頭鉆至煤層頂板10 m位置，三開不固井。三開結束后下入d108 mm的N80篩管至煤層頂板10 m位置，并將該段篩管放置于三開底端，上端用掛靠裝置貼近套管以用來保持垂直，從而保證井身結構的堅固性，免受煤層采過后地層塌陷的壓擠。采動井井身結構示意圖見圖2.

圖2 采動井井身結構示意圖

3)上隅角抽排。

回風巷尾部聯絡巷處封閉時，在閉墻上插入兩趟d355 mm的非金屬抽采瓦斯管路，同時在回采工作面前方聯絡巷中再敷設一趟d400 mm負壓風筒(埋入回采工作面上隅角中)，兩趟管路同時進行回采工作面采空區瓦斯抽采，避免回采工作面上隅角因風流不暢(或微風)引起的瓦斯超限。隨著回采工作面的推進，埋管(負壓風筒)逐漸向回采工作面推進方向移動，當回采工作面推過前部聯絡巷后，在下一個聯絡巷處進行以上操作，如此循環達到回采工作面采空區抽采瓦斯的目的。上隅角瓦斯抽排管路布置示意圖見圖3.

圖3 上隅角抽排示意圖

4)頂板高位鉆孔。

頂板走向長鉆孔在工作面回風側施工，鉆孔施工至頂板上方一定層位，輔助進行采空區瓦斯治理。在工作面回風巷內每間隔60 m施工一個鉆場，鉆場內向煤層上方巖層施工的穿層鉆孔，鉆孔長度在100～120 m，保持鉆場與鉆場之間的鉆孔重疊段長度不低于15～20 m.每個鉆場施工3個鉆孔，高位鉆孔參數見表1.

表1 高位鉆孔參數表

每組布置3個鉆孔，鉆孔開孔位于巷道頂板，3個鉆孔一排布置，1#鉆孔距Ⅲ1210巷東幫1.5 m，2#鉆孔距Ⅲ1210巷東幫0.5 m，3#鉆孔開孔位于巷道頂板距巷道東幫交界處，鉆孔開孔角度仰21.8°.高位鉆孔施工時，首先施工第1、2組鉆孔，待采面回采揭露第1組和第2組鉆孔后，根據鉆孔抽采情況再確定施工其他鉆孔或修改其他鉆孔設計參數。鉆孔布置見圖1.

2.2 下分層瓦斯治理技術

工作面采用分層開采工藝時，由于煤層圍巖及煤層內大部分瓦斯已在開采上部煤層時卸壓運移，下部分層開采時瓦斯量不大。采空區埋管以抽采上隅角局部區域的瓦斯，防止瓦斯在上隅角成渦流狀態積聚。上部分層開采結束后，在下部分層的回風順槽安裝一趟d377 mm管路，由采空區低負壓系統聯抽，延伸時每安裝2根(12 m)d377 mm管路，安裝一根管路短件，短件上有d108 mm集氣口，集氣口朝上，集氣口安裝d108 mm的立式篩管，篩管與集氣口之間安裝d100 mm閥門，上隅角埋管抽采管路布置見圖4.

圖4 上隅角埋管抽采管路布置圖

工作面回采過程中，提前支設木垛對抽放短件進行保護，防治頂板垮落將篩管破壞造成無法正常抽采，當上隅角切頂線與篩孔立管平齊時，打開d100 mm閥門進行抽采。為保證上隅角埋管抽采效果，采用尺寸為1 m×0.8 m×1.5 m的氣囊對上隅角三角區進行臨時封閉，氣囊可快速充氣快速回收，可有效提高上隅角埋管負壓的影響范圍。

3 治理效果

1)上分層瓦斯治理效果。

通過采動井、頂板走向長鉆孔及上隅角抽采3種瓦斯治理技術，對工作面采動期間不同區域的瓦斯攔截效果進行監測，得出的瓦斯抽采變化曲線見圖5.

圖5 采動井瓦斯抽采變化曲線圖

1308(上)分層采面回采期間，回風巷瓦斯濃度基本保持在0.35%～0.4%，計算可得出風排瓦斯量約4.3 m3/min.由圖5可知，工作面采動期間瓦斯抽采量基本保持在3.5～5.5 m3/min，按平均抽采量4.5 m3/min計算，地面采動井的抽采率可達到50%以上，而上隅角是工作面回采期間瓦斯治理的重點，從圖5中可以看出，上隅角瓦斯濃度在采動井抽采期間，一直處于逐步下降的變化趨勢，瓦斯濃度基本保持在0.25%，遠低于礦內控瓦斯報警指標0.8%，可以實現瓦斯濃度不超限。

工作面某個鉆孔及一個鉆場的瓦斯抽采效果見圖6，從單個鉆孔的抽采效果來看，鉆孔的有效服務時間在35～40 d，單個鉆孔的瓦斯抽采總量保持在2 210～2 250 m3.從每個鉆場3個鉆孔的混合抽采量來看，由于各個鉆孔的層位不同、抽采外界因素干擾等多重因素影響，鉆孔的抽采純流量保持在1～3 m3/min，單個鉆場在服務周期內的總抽采量保持在21.6萬 m3.可以看出，頂板高位鉆孔的抽采方法有效保障了上分層工作面的安全回采。

圖6 單個鉆孔瓦斯抽采量圖

2)下分層瓦斯治理效果。

下分層開采時，上分層已經回采完畢，為保證工作面安全回采，除采用上隅角埋管措施外，上分層已經封閉的老空區密閉墻設置抽采管路，與礦井的高負壓抽采管路系統相連接，對上分層老空區進行抽采。由于下分層頂部煤層已經開采完畢，與上分層開采相比，下分層開采期間采掘活動空間涌出的瓦斯少。上分層和下分層采面瓦斯涌出情況見表2.

4 結 語

針對岳城煤礦厚煤層分層開采煤層瓦斯涌出的差異性，采用了不同的瓦斯治理技術。上分層綜采工作面采空區瓦斯治理主要采取地面采動井抽采、密閉墻埋管抽采、普通高位鉆孔抽采和大孔徑走向高位鉆孔抽采“四位一體”綜合治理模式，而下分層工作面由于巷道布置形式限制，無法布置高位鉆孔抽采，只能通過地面采動井和密閉墻埋管抽采解決采空區瓦斯。通過實施本煤層和采空區“多位一體”瓦斯抽采后，礦井本煤層瓦斯含量、瓦斯壓力均降至安全值以下，上隅角瓦斯濃度基本保持在0.5%以下，有效地控制了采掘工作面以及采空區瓦斯的涌出，實現高瓦斯區域低瓦斯開采的目標。