厚煤層分層開采工作面瓦斯治理技術探討

李會云

（晉能控股煤業集團億欣煤業，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[1-2]。但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，相關的文獻記載尚不明確[3-5]。山西省晉城礦區、陽泉礦區、西山礦井等多個產煤區域均存在分層開采的高瓦斯礦井或煤與瓦斯突出礦井，針對分層開采而言，采用何種瓦斯治理方法最為有效，能否有效解決不同分層開采時的瓦斯涌出問題，進而避免瓦斯超限事故發生，是亟需解決的一個問題。

本文以岳城礦綜采工作面開采為實例，針對不同分層瓦斯涌出的差異，采用綜合瓦斯治理技術。實踐表明，瓦斯治理效果良好。也可為有其他類似礦井提供經驗借鑒。

1 工程概況

岳城煤礦為高瓦斯礦井，位于山西沁水盆地南部，井田范圍內共有3號、9號和15號三個煤層為可采煤層。目前礦井開采3號煤層，煤層平均厚度6 m，分上下兩層開采。上分層綜采工作面為“兩進一回”多巷布置方式，下分層采用U型通風方式。為保證上分層綜采工作面回采期間的采空區瓦斯可控，在回采期間通常采取的技術措施有井上下聯合抽采措施，對采空區瓦斯進行集中治理。而采動井抽采，是在地面對井下采空區瓦斯治理采取的主要措施。其方法是利用地面抽采設備通過抽采煤層頂板采空區裂隙帶的瓦斯，確保井下采面回風隅角瓦斯不超限。

岳城礦采用走向長壁后退式綜合機械化分層開采工藝進行回采。主采的3號煤層結構簡單，埋深427～532 m，平均煤厚6.02 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號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0.0475～0.0704 d-1。工作面由于開采上分層時，煤層和圍巖受采動的影響，煤層和圍巖裂隙中賦存的瓦斯應力狀態改變，會釋放大量瓦斯到采掘空間中，會給上分層開采時的瓦斯治理帶來巨大壓力[6-8]。上分層開采時，下分層應力釋放后會釋放大量的游離瓦斯，是造成上分層工作面及巷道內瓦斯大量涌出的主要原因[9-10]。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。

2 上分層瓦斯治理

2.1 工作面基本情況

1308（上）分層工作面走向長度870 m，傾斜長度116 m。工作面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，上分層通風方式見圖1。由于開采上部分層會造成原始煤巖體應力失穩破壞，除工作面上部瓦斯涌出外，下部分層瓦斯是工作面瓦斯涌出的主要來源之一。為有效保障上部分層安全生產，采用本煤層順層鉆孔預抽工作面煤層瓦斯后，在工作面回采前將地面采動井施工到位。該（上、下）分層工作面開采的實際情況見表1、表2。

圖1 工作面通風系統

表1 1308（上）分層工作面基本情況

為有效管控上、下分層及周邊圍巖裂隙中的瓦斯涌出，主要采取超前施工地面鉆井、頂板走向長鉆孔、采空區埋管等技術措施。地面鉆井在工作面回采之前已按計劃施工到位，以抽采采動區裂隙帶的瓦斯。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。采空區埋管以抽采回風隅角局部區域的瓦斯，防治在回風隅角成渦流狀態積聚的瓦斯。

2.2 瓦斯治理技術

（1）順層鉆孔抽采

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月期間，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

考慮到地面鉆井施工成本和抽采采動區瓦斯效果的不確定性，在工作面回采區域施工了一口地面采動井，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）。采動井隨著工作面回采的進行，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，到達頂板上方的區域富集。采動井利用地面設置的抽采泵站抽采負壓的作用，井下的瓦斯抽送至地面，排除瓦斯向采掘空間擴散的風險。鉆井為三次開井（見圖3），一開用Φ425 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D377 mm的J55或N80套管，套管下入后注水泥固井；二開用Φ311.15 mm的鉆頭，鉆至煤層頂板以上30 m位置，二開結束后下入D244.5 mm的N80套管，套管下入后注水泥固井；三開用Φ191 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D168.3 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，以此來保證井身結構的堅固性，免受煤層采過后地層塌陷的壓擠。

圖2 采動井井身結構

（3）回風隅角埋管抽排

回風巷尾部聯絡巷處封閉時，在閉墻上插入兩趟DN355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負壓風筒（埋入到回采工作面回風隅角中），兩趟管路同時進行回采工作面采空區抽采瓦斯，避免回采工作面回風隅角因風流不暢（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，如此循環來達到回采工作面回風隅角采空區抽采瓦斯的目的，管路布置見圖3。

圖3 上隅角抽排

3 下分層瓦斯治理技術

在回風順槽安裝一趟Φ377管路，由采空區系統帶抽，延伸時每安裝2根（12 m）Φ377管路，安裝一根管路短件，短件上有Φ108集氣口，集氣口朝上，集氣口安裝Φ108篩立管，篩管與集氣口之間安裝DN100閥門。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。當回風隅角切頂線與篩孔立管平齊時，打開DN100閥門進行抽采。

圖4 上隅角埋管抽采管路布置

為達到回風隅角埋管抽采效果，采用尺寸為1 m×0.8 m×1.5 m的氣囊對回風隅角三角區進行臨時封閉，氣囊可快速充氣快速回收，可有效提高回風隅角埋管負壓的影響范圍。

4 瓦斯治理效果

4.1 上分層

通過采動井、頂板走向長鉆孔及回風隅角埋管抽采三種瓦斯治理技術，對工作面采動期間的不同區域的瓦斯攔截抽采效果進行監測，得出的瓦斯抽采變化曲線見圖5。

1308（上）分層采面回采期間，回風巷瓦斯濃度保持在0.35%～0.4%之間的穩定范圍，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； 而回風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，回風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，瓦斯濃度保持在0.25%左右，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。

圖5 采動井瓦斯抽采變化曲線

4.2 下分層

下分層開采時，上分層已經回采完畢，為保證工作面順利安全回采，除采用回風隅角埋管措施外，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。

由于下分層上部的煤層已經開采完畢，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極少。由于煤層圍巖及煤層內大部分瓦斯已在開采上部煤層時已經卸壓運移，下部分層開采瓦斯量不大。

5 結語

針對厚煤層分層開采的煤層瓦斯涌出的差異性，應針對性采用不同的瓦斯治理技術。上分層開采，由于瓦斯涌出量大，擬采用地面采動井、頂板走向長鉆孔及回風隅角抽排的綜合瓦斯治理技術。下分層開采時，針對瓦斯涌出量小的特點，擬采用回風隅角埋管的瓦斯治理技術。采用“一面一策”的科學瓦斯綜合治理措施后，工作面回風隅角瓦斯濃度基本保持在0.5%以下，有效解決了瓦斯超限問題，確保了工作面的安全生產。也可為其他類似礦井提供經驗借鑒。