鎮城底礦22618工作面瓦斯治理效果分析

謝志宏

(西山煤電集團有限責任公司鎮城底礦，山西 太原 030053)

0 引言

安全生產是煤礦的重中之重，采煤工作面瓦斯又是影響回采的重要因素，造成瓦斯含量高的原因多種多樣，主要有開采煤層、煤壁處以及鄰近煤層和采空區瓦斯的涌出，其中，采空區又是瓦斯涌出的主要來源，各種因素作用下，工作面瓦斯濃度變化呈現以下規律：進風巷內瓦斯含量最低，工作面和回風巷處瓦斯濃度呈現遞增的趨勢，因為瓦斯密度較小且巷道上隅角處為通風死角，所以造成上隅角及回風巷道內瓦斯含量較高，上隅角的瓦斯治理一直是熱點[1-3]。文中針對鎮城底礦22618工作面上隅角瓦斯含量超標的現象，提出了頂板高位鉆孔配合封閉式埋管抽采的方案，現場應用效果證明，回風巷道及上隅角處瓦斯含量都滿足安全生產的標準，具有良好的應用效果。

1 工作面瓦斯涌出分析

礦井瓦斯涌出量的大小直接影響工作面瓦斯治理方法的制定，合理制定瓦斯治理方案時，必須了解瓦斯涌出的原因?，F有研究表明，工作面回采造成的落煤、煤壁及采空區瓦斯涌出是造成瓦斯含量超標的主要原因[4-6]。

1.1 瓦斯涌出原因分析

對于回采造成的工作面瓦斯涌出而言，隨著開采深度及開采范圍的增加，瓦斯涌出量也逐漸增大，一般而言，首先，開采的煤層瓦斯涌出量較大，開采造成了煤層內部瓦斯氣體的釋放，臨近煤層在采動影響下出現裂紋，瓦斯通過裂縫涌出至工作面；其次，不同開采方法、煤層頂底板巖性下瓦斯涌出規律也有差異。如果礦井采用抽出式通風，工作面瓦斯含量會隨著抽出式通風風壓的增大而增加，因此會造成工作面和采空區的風壓失衡，高壓區的瓦斯會向低壓區流動，直至風壓重新平衡[7]。

除采動影響外，自然因素是影響瓦斯涌出的又一重要因素，瓦斯含量高的地方瓦斯涌出量就大，在回采影響下，加劇了瓦斯涌出，造成瓦斯含量較高。

1.2 工作面上隅角瓦斯來源分析

根據瓦斯涌出分析，上隅角瓦斯含量受到自然因素和采動因素的共同影響，煤層內部瓦斯、臨近煤層以及采空區瓦斯共同作用，致使瓦斯涌出量較高，因為上隅角通風不足，因此密度較小的瓦斯聚集，根據瓦斯來源的不同對工作面上隅角瓦斯進行治理方案的制定是最直接、最有效的方法[8]。

2 抽采方案設計

2.1 22618工作面抽采概況及設想

本次抽采方案的設計是基于22618工作面平均瓦斯涌出量，實際生產經驗可得，工作面在生產期間的平均瓦斯量達到20 m3/min，為了保證安全生產，需進行人工干預確保平均瓦斯抽采率達到16 m3/min，根據2008年出版的《煤礦瓦斯抽采工程設計規范》，抽采管中瓦斯的流量與干管瓦斯抽采濃度的乘積等于瓦斯抽采純量，其中干管瓦斯抽采濃度取20%，結合鎮城底礦實際的情況，可以得到瓦斯抽采純量需要達到80 m3/min，設計真空泵的抽風量為330 m3/min時，方可達到設計要求[9]。

由于22618工作面保護煤柱的寬度僅為6 m，導致在回采的過程中巷道出現嚴重的底鼓現象，在進行鉆孔的過程中，忽略巷道底鼓方向區域，且需注意鉆孔施工過程中造成的巖層坍塌現象，本次鉆孔施工范圍為回風大巷，距離回風大巷約30 m的位置施工一個寬為3 m、高為2 m、坡度∠250°的上山，當掘到煤層約3 m的位置進行鉆孔施工，因為巷道圍巖完整性較差，因此需要進行加強支護，同時加強通風，防止鉆孔過程中瓦斯涌出影響安全作業，鉆孔呈現扇形布置，保證每個鉆孔施工范圍內有5個鉆孔[10-12]。

頂板高位鉆孔方案如圖1所示，從圖中可看出，在回風巷道內每隔一段距離施工一個硐室，硐室高2.4 m，寬和深度都為3 m，每個硐室布置5個鉆孔，開徑孔94 mm，終孔徑94 mm，每個鉆孔的方位偏角分別為0°、10°、15°、20°、25°，對應傾角分別為10°、10°、9°、7°、5°，鉆孔間距均為0.5 m，孔深均80 m，開孔位置確保鉆孔距巷道幫不低于1 m。

圖1 頂板高位鉆孔方案示意Fig.1 Layout plan of roof high-level boreholes

頂板高位鉆孔只能解決開采煤層瓦斯涌出問題，不適用于臨近煤層及采空區瓦斯治理，臨近煤層及采空區瓦斯涌出量較大、濃度較低，考慮礦井開采工藝及瓦斯涌出特點，采用封閉式埋管抽采，保證采空區有20 m的抽采管，各抽采管之間的距離為20 m，為了保證抽采效果，在進風巷和回風巷中設置密閉，且保證與抽采管的距離大于5 m，通過加強支護和三通，確保良好的抽采效果[13-14]，抽采示意如圖2所示。

2.2 22618工作面具體設計方案

工作面回采工作結束且保證密封后，臨近煤層以及采空區的瓦斯還是會源源不斷地涌入開采工作面，最終導致工作面瓦斯濃度較高，其中采空區是瓦斯涌入的主要來源，為了避免采空區瓦斯向工作面涌入，及時的密閉是必要的措施，對于本礦而言，將開采后的工作面進行永久性密封，此外，施工盡量選擇在頂板較為堅硬的煤巷中，保證有兩道厚度不小于1 m的施工密閉墻，密閉墻之間用細砂充填，對于進入巷道的掏槽深度需大于0.3 m，通過布置在密閉墻上的管道對采空區氣體進行實時監測[15]。

工作面通風系統是根據開采工藝及瓦斯涌出等狀況共同確定，22618工作面采用U型通風方式，其優點在于隨著工作面回采工作的進行，工作面漏風較少，風流穩定，但是為了解決上隅角通風現狀，必須采取相應的調風措施，以減少落煤過程中瓦斯的涌出，因為支架與上下端口之間存在一定的間隙，如果盲目增大通風量，將導致采空區漏風量增加，加劇了瓦斯的涌出；減小通風量，將會造成上隅角瓦斯積聚增加。

22618工作面回采過程中，通風機通風量達到2 200 m3/min時，瓦斯濃度維持在0.6%左右，根據此現象，采取的調風措施如下：適當降低風壓，使得風壓維持在1 700 m3/min左右；調整工作面附近風壓，使得工作面風壓略高于采空區的風壓，從而減少采空區瓦斯的涌出；在工作面附近建立隔風措施，尤其是上隅角位置，通風建立擋風墻等減少采空區瓦斯的大量涌出。

3 現場應用效果分析

在上述抽采方案設計的基礎上，對鎮城底礦22618工作面進行了應用，本次主要對工作面回采期間上隅角和回風巷道內的瓦斯濃度進行了監測，得到了工作面回采過程中上隅角及回風巷瓦斯濃度變化曲線，如圖3所示。

圖3 工作面回采過程中上隅角及回風巷瓦斯濃度變化曲線Fig.3 Variation curve of gas concentration in upper corner and return roadway during mining

從圖中可以看出，在監測期內，上隅角瓦斯濃度最高值為0.86%，最低為0.42%，瓦斯濃度的平均值為0.68%，受到采動影響，曲線整體波動較大。分析其原因，采動造成原巖應力的改變，臨近煤層在應力作用下，試樣孔裂隙發育不斷擴展發育，為瓦斯的運移提供了通道，因此造成了上隅角瓦斯濃度波動范圍較大，對于回風巷道圍巖，瓦斯濃度最大為0.52%，最低為0.3%，平均值為0.41%，瓦斯濃度值整體小于上隅角瓦斯濃度值，瓦斯濃度曲線變化較為平緩，但是出現小范圍內的多次波動，結合開采工藝，回采過程中，工作面每次落煤工藝時，瓦斯濃度值都會出現增加的情況?？傮w而言，上隅角及回風巷道內瓦斯濃度值都滿足安全生產的需求，證明了方案的可行性。

4 結論

(1)工作面瓦斯含量高是自然因素和采動因素共同影響所致，煤層內部瓦斯、臨近煤層以及采空區瓦斯共同作用致使上隅角瓦斯含量高。

(2)基于鎮城底礦22618工作面瓦斯涌出狀況，采用頂板高位鉆孔和封閉式埋管抽采方案進行瓦斯治理。

(3)方案實際實施效果良好，上隅角瓦斯濃度的平均值為0.68%，回風巷道瓦斯濃度的平均值為0.41%，受采動影響，瓦斯濃度出現小范圍的波動，都滿足安全生產的需求。

(4)工作面上隅角瓦斯治理方案僅適用于22618工作面，在鉆孔施工的過程中，還需根據地質條件不斷調整鉆孔參數，保證精確鉆孔以達到治理瓦斯的效果。