九龍礦15247S 工作面瓦斯綜合治理技術應用研究

代精宇

（冀中能源峰峰集團邯鄲寶峰礦業有限公司 九龍礦，河北 邯鄲 056500）

1 概況

九龍礦為煤與瓦斯突出礦井，15247S 工作面位于北五采區，屬于第Ⅲ地質單元無突出危險區。煤層性質為分層—合并—分層的復合煤層，未進行保護層開采，瓦斯賦存量大，煤層透氣性差，2 號煤厚為2.5～3.6 m，平均煤厚3.1 m。上順槽經28點～經30 點，下順槽經31 點前35 m～經45 點前10 m，為煤合并段。煤層合并后2 號煤上分層平均煤厚約3.0 m，煤層分叉后2 號煤平均煤厚約3.1 m，煤巖層傾角約為17°。該工作面煤層實測瓦斯含量最大值為6.29 m3/t，開采2 上煤時，2 下煤瓦斯受卸壓應力和頂底板破碎影響涌入到采空區，回采期間瓦斯涌出量最大達到30 m3/min。

為了避免工作面回采期間瓦斯超限事故發生，對工作面瓦斯進行交叉、立體、全方位抽采，形成了一整套多措并舉的瓦斯綜合治理技術體系，為安全開采提供保障。

2 瓦斯綜合治理技術應用

九龍礦在沒有外部經驗可借鑒的情況下，在采取了原有的瓦斯綜合治理措施（高位鉆孔抽采、上隅角采空區埋管抽采、上下巷順層鉆孔抽采、工作面短孔高壓注水壓裂抽采、原有及鄰近巷道抽采等）的基礎上，創新采用了“疏堵”結合的方式治理瓦斯，直拔式高頂鉆場抽采、頂板大直徑高位鉆孔抽采、頂板走向水平長鉆孔抽采、上隅角無機發泡材料墻封堵采空區瓦斯，形成針對復合煤層的一套綜合瓦斯治理體系。

2.1 直拔式鉆場大直徑高頂鉆孔瓦斯抽采技術

創新采用煤層頂板直拔式高位鉆場，鉆場底板位于煤層頂板5 m 以上，與普通本煤層鉆場相比較，該鉆場可實現所有高位鉆孔在巖層內開孔，保證了鉆孔封孔質量，保證了抽采鉆孔連續性，避免了過鉆場期間抽采效果不佳，以及引起瓦斯超限的局面。優化高頂鉆孔參數設計，根據工作面煤層賦存情況（煤層分叉—合并—分叉）及瓦斯涌出特點，對工作面高位鉆孔實行“一鉆場一設計”，科學布置鉆孔數量和鉆孔終孔層位，在煤層合并區增加鉆孔數量和鉆孔覆蓋范圍。將高位鉆孔孔徑由94 mm 調整為168 mm，并全程下花管，提高成孔效果。為保證抽采量，將高頂鉆場瓦斯管路更換成φ300 mm 管路。使用粉煤灰、水泥1∶1 配比封孔材料，注漿完畢凝固后塑性強，不容易產生裂隙導致鉆孔漏氣。強化高位鉆孔抽采精細化管理，實施“大孔徑、大管路、大流量、嚴封孔、管到底”（圖1）。

圖1 高頂鉆場示意Fig.1 High-top drilling site

（1）鉆孔設計。在15247S 工作面上順槽下幫布置高頂鉆場，鉆場通道破2 煤頂板掘進，鉆場里端底板位于2 煤頂板5 m 以上，以五、六號鉆場為例，五號鉆場鉆孔孔徑為94 mm，六號鉆場鉆孔孔徑為168 mm，設計布置14 個鉆孔，鉆孔終孔位置水平距上順槽0～50 m，孔深110～135 m，1號、8 號鉆孔終孔層位為2 煤頂板以上18 m，2 號～7 號鉆孔終孔層位為2 煤頂板以上25 m，9 號～14 號鉆孔終孔層位為2 煤頂板以上20 m（圖2）。

圖2 高頂鉆場鉆孔布置平面示意Fig.2 Borehole layout plane of high-top drilling field

（2）施工技術參數。五號鉆場通孔孔徑94 mm，六號鉆場開孔使用直徑113 mm 鉆頭施工、至30 m，之后用φ133 mm、φ168 mm 鉆頭擴孔至終孔。

（3）封孔材料。使用粉煤灰、水泥1∶1 配比，注漿完畢凝固后塑性強，不容易產生裂隙導致鉆孔漏氣。五號鉆場施工過程中，使用水泥+膨脹劑封孔，六號鉆場施工鉆孔通孔孔徑168 mm，使用水泥+粉煤灰封孔。

2.2 上隅角采空區瓦斯抽采技術

利用井下移動抽采系統，對工作面上隅角采空區進行插管和埋管抽采。在工作面上順槽內鋪設大直徑抽采管路，上順槽外段至移動泵鋪設φ500 mm 管路800 m，里段鋪設2 趟φ250 mm 管路。將原2BE1353-OBD3 型移動抽采泵（額定抽采量為90 m3/min）更換為ZWY290/355-G 型移動瓦斯抽采泵（額定抽采量為290 m3/min，電機功率355 kW）。

15247S 工作面用裝滿煤的編織袋在上下端頭各砌筑一道煤袋墻，在上隅角煤袋墻里插管路進行抽采。埋管抽采時隨著工作面推進在采空區內留設抽采管路，每隔4～8 m 安設1 個蜂窩式抽放頭。創新使用了MA 礦用無機復合發泡材料墻。該材料凝固后具有一定的強度和一定的柔性承壓能力，充填墻體整體性好，能夠起到很好的封閉作用。工作面上隅角每隔15 m 建一道，將2 下煤涌出的瓦斯封堵到了采空區，減輕了上隅角瓦斯治理難度。同時預埋抽采管在采空區進行抽采，大大提高了抽采效果和濃度，從而有效治理了采空區涌出的瓦斯（圖3）。

圖3 無機發泡材料充填結構示意Fig.3 Indication of filling structure of inorganic foaming materials

2.3 上下順槽順層鉆孔瓦斯抽采技術應用

在工作面上、下順槽每間隔4～8 m 設計布置1 個順層鉆孔，鉆孔工程量巨大，為提高順層鉆孔鉆進效率和成孔率，改進使用了壓風排渣孔口捕塵方式同時配合使用三棱鉆桿，順層鉆孔鉆進效率和成孔率有顯著提高。鉆孔施工完成后，使用掏穴鉆頭，對工作面鉆孔孔徑進行掏穴擴孔，提高鉆孔內徑自由面，增加單孔瓦斯釋放量，增加抽采效果。

利用三菱鉆桿及壓風排渣鉆孔施工方式，鉆孔中煤粉容易被排除，有效避免了塌孔和埋鉆現象的發生。鉆孔掏穴是對已施工的鉆孔實施二次擴孔，從鉆孔孔口以里30 m 開始，將鉆孔孔徑由原來的94 mm 擴大為220 mm，增大了鉆孔煤層暴露面積和鉆孔周圍煤體卸壓范圍，增強了煤層透氣性，使瓦斯流動場擴大，增加了單孔抽采半徑。

（1）鉆孔設計。在15247S 工作面上下順槽每8 m 施工1 個鉆孔，孔徑94 mm，鉆孔方位與巷道呈70°夾角并朝向工作面切眼方向，仰角與煤層層位相同，20 號鉆孔使用三菱鉆桿及壓風排渣施工方式并進行掏穴擴孔，對20 號、10 號孔進行抽采效果觀察對比。

（2）鉆頭規格。終孔鉆頭直徑94 mm，掏穴鉆頭直徑220 mm。

（3）施工技術。在施工20 號鉆孔過程中，初期孔口30 m 長度未使用直徑133 mm 鉆頭進行擴孔，導致在使用掏穴鉆頭進行鉆進時，后路返水通道不暢通，孔內巖粉無法及時排出，最終20 號鉆孔掏穴長度僅為20 m。后經討論研究，使用φ133 mm 鉆頭對鉆孔0～30 m 長度進行擴孔，增加鉆孔后路通道空間。在使用φ133 mm 鉆頭擴孔后，掏穴長度增加了70 m，共計掏穴長度90 m。掏穴至孔底后，將鉆孔取出，采用“兩堵一注”的封孔工藝對掏穴孔進行封孔，并及時聯抽。在試驗的同一天對10 號孔進行聯抽后持續考察10、20 號孔的預抽效果（圖4～圖5）。

圖4 掏穴擴孔增透鉆孔原理示意Fig.4 Schematic principle of hole-digging and permeability-increasing drilling

圖5 掏穴擴孔順層鉆孔平面布置示意Fig.5 Plane layout of boreholes along boreholes with hole enlargement

2.4 工作面短孔高壓注水壓裂抽采技術

鉆孔在工作面呈單排布置，距上巷5 m 處開始施工第一個鉆孔，以后每隔5 m 施工一個鉆孔，鉆孔孔深為10～15 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔方向垂直于工作面煤壁，鉆孔傾角與鉆孔方向煤層傾角相同。對單號鉆孔進行抽采，對雙號鉆孔進行高壓注水，在工作面內鋪設1 趟直徑為100 mm 的抽采軟管。抽采鉆孔采用聚氨酯封孔，封孔管選用φ50 mm 的PVC 管，PVC 管進入孔內長度不低于1.5 m，封孔位置為孔口至孔內1 m 處（圖6）。

圖6 工作面短孔平面布置示意Fig.6 The layout of short hole in working face

注水孔采用高壓注水，注水壓力不超過10 MPa，采用注水專用封孔器進行封孔，當煤壁出現“掛汗”現象或附近鉆孔出水時停止注水，每天在檢修班次施工鉆孔并進行注水及抽采。通過高壓注水壓裂后，工作面短鉆孔抽采純量可到達1 m3/min，另外高壓注水使煤體濕潤，消除工作面割煤期間煤塵飛揚的現象。施工完畢，對鉆孔進行封孔后，并及時聯抽。

鉆孔在工作面呈單排布置，距上巷5 m 處開始施工第一個鉆孔，以后每隔5 m施工一個鉆孔，鉆孔孔深為10～15 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔方向垂直于工作面煤壁，鉆孔傾角與鉆孔方向煤層傾角相同。3 號孔附近區域雙號孔不采取高壓注水，11號孔附近區域雙號孔采取高壓注水。施工完畢，對鉆孔進行封孔后，并及時聯抽。

2.5 原有巷道及鄰近巷道抽采技術

在原15247S 掘進施工巷密閉墻留設抽采管路，在工作面回采初期抽采工作面采空區瓦斯。受工作面采動影響，工作面采空區瓦斯通過裂隙涌入到鄰近北五采區輔助回風巷內，在原北五采區輔助回風巷密閉墻留設抽采管路抽采瓦斯，瓦斯抽采量可達3 m3/min。

2.6 頂板走向水平長鉆孔抽采技術

為滿足15247S 工作面回采期間瓦斯治理需要，利用防治水地面區域治理打鉆技術，在地面施工15247S 工作面頂板走向水平長鉆孔，自地面施工抽1 主孔，主孔施工至設計深度后開始造斜分支，向15247S 工作面頂板施工定向分支長鉆孔，并利用井下抽采管路抽采，從而達到抽采工作面采空區瓦斯的目的。

3 瓦斯綜合治理效果

3.1 直拔式鉆場大直徑高頂鉆孔瓦斯抽采技術應用效果

5 號、6 號鉆場從接抽到拆除，實測獲得的抽采量最大區間的抽采濃度、流量及純量對比瓦斯抽采數據見表1。

表1 鉆場抽采參數Table 1 Drainage parameter of drilling field

由表1 分析可知，經過統計抽采量最大區間連續10 d 的抽采數據，6 號鉆場平均抽采純量為5.16 m3/min，是5 號鉆場平均純量的1.2 倍。6 號鉆場平均抽采混量28.82 m3/min，是5 號鉆場平均混量的1.1 倍。6 號鉆場平均抽采濃度17.92%，是5 號鉆場平均濃度的1.1 倍。

抽采濃度和流量同時增大，經過改進封孔材料，抽采濃度增加，大直徑擴孔后，抽采流量升高，抽采純量增加了1.4 倍，使高位抽采效果最大化。

3.2 直拔式鉆場大直徑高頂鉆孔瓦斯抽采技術應用效果

原使用2 臺2BE1353-OBD3 型移動抽采泵（額定抽采量為90 m3/min）抽采上隅角采空區瓦斯，之后更換了2 臺ZWY290/355-G 型移動瓦斯抽采泵（額定抽采量為290 m3/min），更換大直徑管路，并創新使用MA 礦用無機復合發泡材料墻。

實測改造前10 d 及改造后10 d 的抽采濃度、流量及純量，對比瓦斯抽采數據見表2。

由表2 分析可知，經過統計改造前后連續10 d的抽采數據，改造后平均抽采純量為4.27 m3/min，是改造前平均純量的4.14 倍；改造后平均抽采混量140 m3/min，是改造前平均混量的3.32 倍；改造后平均抽采濃度3.1%，是改造前平均濃度的1.29 倍。

表2 抽采參數表Table 2 Extraction parameter table

經過使用MA 礦用無機復合發泡材料墻，更換管路及瓦斯泵，抽采流量、濃度、純量均有不同程度的升高。表明無機復合發泡材料墻，能夠起到很好的封閉作用，將2 下煤涌出的瓦斯封堵到了采空區，減輕了上隅角瓦斯治理難度，從而有效治理了采空區涌出的瓦斯。

3.3 直拔上下順槽順層鉆孔瓦斯抽采技術應用效果

為了獲得同步數據比較，工作面完成了20 號鉆孔掏穴擴孔施工，并采取“兩堵一注”封孔工藝進行了封孔。按期對20 號鉆孔的抽采濃度、流量及純量等參數進行統計，和10 號未受擾動影響的鉆孔抽采參數進行對比，對比瓦斯抽采數據見表3。

表3 鉆孔抽采參數表Table 3 Tables of borehole extraction parameters

由表3 分析可知，掏穴擴孔之后連續抽采10 d，20 號孔平均抽采純量為0.18 m3/min，是10 號鉆孔平均純量的3.0 倍；20 號孔平均抽采混量1.03 m3/min，是10 號鉆孔平均混量的1.73 倍；20 號孔平均抽采濃度17.72%，是10 號鉆孔平均濃度的1.97 倍。

鉆孔經過掏穴擴孔后，抽采流量、濃度、純量均有不同程度的升高，表明通過掏穴擴孔，在鉆孔中產生了更大的自由接觸面，提高了單孔瓦斯釋放速度與釋放量，促進了瓦斯的解吸，使鉆孔瓦斯抽采效果更佳。

3.4 工作面短孔高壓注水壓裂抽采技術應用效果

為了獲得同步數據比較，工作面完成了11 號孔附近區域雙號孔高壓注水壓裂，并對3 號、11號抽采孔采用聚氨酯封孔。從接抽開始每15 min對11 號鉆孔的抽采濃度、流量及純量等參數進行統計，和3 號未受擾動影響的鉆孔抽采參數進行對比，對比瓦斯抽采數據見表4。

由表4 分析可知，對11 號孔區域雙號孔高壓注水壓裂，每15 min 一次連續測定2 h，11 號鉆孔平均抽采純量為0.037 m3/min，是3 號未受擾動影響的鉆孔平均純量的1.48 倍；11 號孔平均抽采混量0.2 m3/min，是3 號未受擾動影響的鉆孔平均混量的1.25 倍；11 號孔平均抽采濃度18.6%，是3號未受擾動影響的鉆孔平均濃度的1.25 倍。

表4 鉆孔抽采參數表Table 4 Borehole extraction parameter table

鉆孔經過高壓注水壓裂后，抽采流量、濃度、純量均有不同程度的升高，表明通過高壓注水壓裂，在鉆孔中產生了更大的自由接觸面，提高了單孔瓦斯釋放速度與釋放量，促進了瓦斯的解吸，使鉆孔瓦斯抽采效果更佳。

3.5 工作面瓦斯綜合治理成效

通過采用多措并舉的瓦斯綜合治理措施，15247S 工作面總抽采量最大時達到23 m3/min，抽放率達到76%，回風流瓦斯濃度始終控制在0.2%～0.6%，有效解決工作面回采期間瓦斯涌出量大等問題，避免工作面瓦斯超限，保證了工作面安全生產，同時提高了工作面單產，增加了經濟效益。

4 結論

（1）創新使用“MA”礦用無機復合發泡材料墻封閉采空區，并在采空區里面埋管進行抽采，使2 下煤涌出的大量瓦斯被堵在采空區，涌出到工作面上隅角的瓦斯量減小了80%，減輕了上隅角瓦斯治理難度，同時埋管抽采的瓦斯濃度增加5 倍，達到20%左右，抽采效率大大提高，徹底解決了復合煤層瓦斯治理的難題。

（2）將高頂鉆孔孔徑由94 mm 調整為168 mm，徹底解決了頂板粉砂巖中鉆孔塌孔，抽采效果差問題，同時增大了單孔瓦斯抽采量。

（3）利用防治水地面區域治理打鉆技術，在地面施工15247S 工作面頂板走向水平長鉆孔，并利用井下抽采管路抽采，從而達到抽采工作面采空區瓦斯的目的。

（4）創新使用直拔式高頂鉆場，鉆場底板高于巷道底板5 m，使鉆孔有效抽采長度增加約60%。

（5）自主研制抽采鉆孔封孔材料，把水泥和粉煤灰按1∶1 比例混合，并加入添加劑，在提高密封效果的同時，封孔成本降低50%以上，每年為我礦節約成本156 萬元，并使廢物得到利用，具有良好的經濟和社會效益。

（6）瓦斯綜合治理技術在低滲透煤層瓦斯抽采中的成功應用，意味著在該礦及其他礦井類似地質條件和瓦斯地質下，均能得到推廣和應用，為其他礦井相同條件下的瓦斯治理提供有力依據。