常村煤礦綜采工作面瓦斯綜合防治技術應用

王 雪 斌

（山西新村煤業有限公司，山西 長治 046000）

1 礦井概況

常村煤礦礦井井田面積18.908 km2，井田構造總體為走向北西、傾向南西的單斜構造，主采山西組3號和4 號煤層。礦井核定生產能力240 萬t/a，煤層傾角2°～8°，礦井采用立斜井混合開拓方式，開采水平為兩個水平。采用綜合機械化一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理采空區。2017 年瓦斯等級鑒定結果為煤與瓦斯突出礦井，礦井相對瓦斯涌出量為23.28 m3/min，瓦斯絕對涌出量為76.06 m3/min。

2 區域瓦斯綜合治理技術

2.1 保護層開采技術

常村煤礦開采3 號和4 號煤層層間距相隔12.5m，煤層間距較小，為近距離煤層群方式開采。根據瓦斯地質情況分析，3 號煤層和4 號煤層瓦斯地質條件和變化規律基本一樣，均具有煤層突出危險性。礦井自2000 年開始使用保護層開采治理瓦斯技術，即2 個近距離煤層開采時1 個作為保護煤層，另1 個作為被保護煤層。常村煤礦在開采3 號煤層時，提前利用3 號煤層巷道對4 號煤層施工瓦斯抽采鉆孔進行瓦斯預抽和卸壓瓦斯消除其突出危險性，確保4 號煤層在開采期間的安全。在對3 號煤層進行瓦斯災害治理時主要利用穿層鉆孔和順層鉆孔預抽煤層瓦斯措施提前對煤層進行消突，確保安全回采。

2.2 穿層鉆孔消突措施

穿層鉆孔施工是在煤層底板抽放巷內施工抽采鉆孔，鉆孔從煤層底板巖層內穿過進入煤層內，并進行聯管封孔[1-2]，提前對煤層瓦斯進行預抽（穿層鉆孔布置如圖1 所示），按照規定的時間內對煤巷煤層瓦斯進行區域性消突。

圖1 底抽巷穿層抽采鉆孔布置示意圖

為滿足施工鉆孔的同時不影響運輸物料等要求，在底板抽放巷內要均勻設計布置鉆場，將鉆機布置在鉆場內施工鉆孔。鉆場斷面設計時要考慮能夠達到最大功率鉆機安裝和打鉆要求，設計一般按照寬×高×深= 4m×3m×4.5m。鉆孔直徑設計為94 mm，沿傾向方向每組鉆孔設計5 個，鉆孔深度以穿過煤層后進入煤層頂板巖層0.5 m 為準，每組鉆孔間距12 m。根據工作面瓦斯抽采效果情況，可以在抽采后期適當增加補充抽采鉆孔。鉆孔施工完成后要采用水泥砂漿配合封孔材料進行注漿封孔，封孔長度不低于8 m。聯孔抽放時抽采負壓要求不低于25 kPa，抽采時間不少于6 個月。煤巷條帶完成消突后方可進行煤巷施工。

2.3 順層鉆孔抽放措施

在工作面回采過程中，超前工作面切眼50 m 以上上下順槽巷道內，施工煤層順層瓦斯抽采鉆孔，超前動壓區影響范圍內對工作面煤層賦存瓦斯進行提前抽放，以降低工作面煤層瓦斯含量，從而達到減少工作面煤層瓦斯涌出量的目的。具體如圖2所示。

圖2 工作面順層抽放鉆孔布置示意圖

巷道內順層鉆孔布置設計為每組組間距3 m，鉆孔直徑94 mm，上下順槽施工的順層鉆孔要實現交叉，其長度一般不少于10 m。每完成1 個鉆孔施工，都有及時采用水泥、聚氨酯等封孔材料對鉆孔進行注漿封孔，封孔長度不少于15 m。封孔示意圖如圖3 所示。注漿、封孔結束后要及時進行聯孔抽放，一般要求不超過24 h。

圖3 順層鉆孔封孔示意圖

2.4 動壓區抽放措施

工作面上下順槽內施工的順層鉆孔，隨著時間的延長，抽放效果逐漸減弱，抽放的瓦斯濃度逐漸降低，基本起不到抽放作用，暫時關閉。但隨著工作面不斷向前回采，煤層會受到工作面采動應力影響，煤體會逐漸形成裂隙，煤層透氣性也隨之增加[3]，此時，再次利用該段動壓區內的鉆孔進行抽放，瓦斯抽采效果比較好，故該區域內的鉆孔在距離切眼較近時，要再次開啟。本文以已回采的2303 工作面為例，如圖4 所示（圖中為2303 工作面上順槽9 組8 號孔的抽放濃度隨工作面推進變化曲線）。

圖4 動壓區鉆孔抽放濃度變化示意圖

根據圖4 中曲線變化可以看出，隨著采煤工作面的向前回采推進，當順層鉆孔在距離切巷30～5m時，70%以上的鉆孔抽采濃度出現逐步上升趨勢，直至工作面推到鉆孔位置為止。經對2303 工作面回采期間動壓區內的順層鉆孔在重新打開抽放后的瓦斯抽采濃度進行分析統計，重新開啟的鉆孔累計瓦斯抽放量達到9.5 萬m3。

圖5 巷旁高位鉆孔布置示意圖

2.5 順槽巷幫高位鉆孔抽采瓦斯技術

根據工作面煤層賦存條件和煤層瓦斯含量分布情況，在距離工作面切眼向外50 m 處的順槽內開始設計施工巷幫高位鉆孔用以控制工作面上隅角及上切口向下40 m 范圍采空區內的瓦斯。巷旁高位鉆孔沿走向呈扇形布置，每循環布置3 組鉆孔，循環間距20 m，每組2 個鉆孔，鉆孔沿走向方向間距為2 m，鉆孔終孔位置上下垂直間距為3 m，鉆孔直徑為94mm，巷旁高位鉆孔布置示意圖如圖5 所示。鉆孔深度根據工作面煤層厚度進行調整，控制在20～60 m，鉆孔封孔注漿方式與順層鉆孔相同。根據對2303 工作面施工的巷幫高位鉆孔瓦斯抽采數據進行統計可知，鉆孔平均抽采瓦斯濃度可以達到19%以上，抽采負壓在22.15 kPa 左右，抽放流量在9.58 m3/min。

3 工作面回采期間瓦斯綜合治理補充措施

3.1 隅角抽放措施

工作面回采過程中，因上隅角風流不暢，經常會出現瓦斯積聚造成瓦斯超限問題[4]。在工作面上隅角采取埋管抽放瓦斯可有效解決此問題。將上順槽安裝的抽放管路系統延伸至距工作面切眼20 m 位置，然后將直徑為250 mm 的鋼管更換成軟管連接，將軟管聯接延伸至上隅角處，聯接1 根直徑為100 mm，長度為3.5 m 使用鋼管加工成的抽放器，抽放器前端進行封堵密閉，前部2.5 m 管路上密集打設φ5 mm 的小孔。將上隅角使用煤袋進行密閉時將抽放器埋入上隅角密閉區域內，抽放器埋深距頂板0.3 m、距巷幫0.5～1 m 位置，隨著工作面向前回采循環挪移抽放器和抽放管路（具體埋管布置如圖6 所示）。每班安排專人對管路進行維護并定期對隅角瓦斯抽放參數進行測量，檢查抽放效果。

通過采取隅角埋管抽放瓦斯措施后，上隅角瓦斯濃度明顯下降，經測量統計發現，上隅角瓦斯濃度由原1%～1.5%下降至0.6%以下，上隅角瓦斯積聚現象得到明顯改善。

圖6 工作面上隅角埋管瓦斯抽放示意圖

3.2 煤壁注水措施

研究表明，煤體被注水濕潤銹結后，其整體穩定性和抗壓能力得到提高，彈性變形量減小，從而使瓦斯應力和壓力梯度降低。同時水注入到煤體裂隙后，增大了瓦斯流動阻力，對瓦斯釋放初速度有一定抑制作用，減少了瓦斯集中涌出量，防止瓦斯集中涌出出現超限現象。

2303 工作面在回采期間在切巷對煤壁進行超前注水，注水孔深度8 m，采用直徑為76 mm 的鉆頭施工，注水孔單排布置，距支架頂梁0.5～1 mm，仰角10°～15°（根據煤層厚度調整），注水孔間距6 m。通過對工作面煤壁進行超前注水，不僅有效降低了工作面的瓦斯集中涌出量，煤體充分濕潤銹結后，提高了煤體強度，減少煤墻片幫，而且有效降低了工作面煤塵，為工作面生產創造了良好的作業環境。同時在施工注水鉆孔時，能夠對工作面前方瓦斯應力、地質構造和煤層賦存變化情況進行探查，為工作面下一步安全生產和技術措施的制定提供了參考依據。

4 瓦斯治理效果分析

在采取上述綜合瓦斯防治措施以后，2303 工作面在回采過程中絕對瓦斯涌出量由原來的5.2 m3/min下降到4.1 m3/ min 以下，風排瓦斯濃度由原來的0.38%降低到0.18%，工作面生產期間，未發生過瓦斯集中涌出和瓦斯超限事故，工作面實現安全生產。

5 結束語

根據常村煤礦瓦斯地質條件及賦存情況，提出區域消突和局部消突措施相結合的方法治理工作面煤層瓦斯，通過采取綜合瓦斯治理措施以后，工作面絕對瓦斯涌出量和風排瓦斯濃度得到明顯降低，達到了規定指標以下數值，實現了安全生產。該綜合措施的成功應用，為今后礦井瓦斯治理提供一定的借鑒。