綜采工作面瓦斯綜合治理技術與實踐

李 婧

（晉能控股煤業集團四老溝礦 山西 大同 037000）

0 引言

近年來隨著煤礦采掘設備機械化、智能化和大型化水平的不斷提高，極大提高了煤礦生產效率，但增加工作面瓦斯突出風險[1-2]。結合煤層瓦斯賦存實際，制定合理有效的瓦斯治理措施，是確保高瓦斯礦井安全生產的重要前提[3-4]。對此，馮爭通過對煤層瓦斯賦存情況的分析，采用高位大直徑鉆孔對E2306工作面瓦斯進行了治理[5]。李輝峰和李恩來基于對王莊煤礦7111工作面瓦斯儲量的計算結果，采用高位定向鉆孔對工作面回采期間采空區和上隅角瓦斯進行了有效抽采。梁淑慶針對3202工作面地質條件和瓦斯賦存特征，采用“地面鉆孔+高位鉆孔+定向長鉆孔”的瓦斯治理措施有效降低了工作面瓦斯含量[6]。上述研究為高瓦斯礦井工作面瓦斯治理提供了借鑒，但不同礦井瓦斯賦存情況各有不同，為確保山西某礦B51205綜采工作面安全生產，有必要對其瓦斯治理措施進行研究。

1 工作面概況

山西某礦核定生產能力1.2 Mt/a。主采B5煤和B6煤，B5煤厚4.53 m~19.91 m，均厚8.73 m，為全區穩定可采煤層；B6煤厚0 m~5.13 m，均厚2.52 m，為較穩定-不穩定大部可采煤層。B51205綜放工作面位于B5煤二采區軌道上山東側，南鄰B51204綜放工作面。工作面煤層均厚9.4 m，平均傾角12°，煤層埋深62 m~230 m。B51205工作面回采巷道沿B5煤層底板布置，其中B51205運輸順槽走向長度946.6 m，巷道為矩形斷面，斷面尺寸為5.2 m×3.8 m（寬×高），主要用于進風和煤炭運輸；B51205軌道順槽走向長度967.6 m，巷道為矩形斷面，斷面尺寸為4.2 m×3.2 m（寬×高），用于回風和設備運送。B51205煤層采用走向長壁綜合機械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面采用U型全風壓通風，上行通風方式（運輸順槽進風、軌道順槽回風）。

2 礦井瓦斯賦存情況及抽采規模

2.1 礦井瓦斯賦存情況

根據《2020年度瓦斯等級鑒定報告》，礦井相對瓦斯涌出量為4.87 m3/t，相對二氧化碳涌出量為0.86 m3/t，絕對瓦斯涌出量為15.31 m3/min，絕對二氧化碳涌出量為2.71 m3/min，其中采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量為12.81 m3/min，掘進面最大絕對瓦斯涌出量為0.83 m3/min，為高瓦斯礦井。B5煤和B6煤瓦斯鉆孔探測結果如表1所示。

表1 B5煤和B6煤瓦斯含量

2.2 瓦斯抽采規模確定

根據分源預測法對回采工作面瓦斯涌出量進行預測，回采工作面瓦斯涌出量由開采層和鄰近層瓦斯涌出量兩部分組成，其相對瓦斯涌出量按式（1）確定[3-5]：

式中，Q1為開采層相對瓦斯涌出量，m3/t；Q2鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t；K1為圍巖瓦斯涌出系數，取1.3；K2為工作面丟煤系數（回采率的倒數），回采率取93%；K3為采區內準備巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數；L為回采工作面長度，取145 m；h為巷道煤體瓦斯排放帶寬度，取21.5 m；m為煤層厚度，取9.4 m；M為工作面采高，取9.4 m；x0為煤層原始瓦斯含量，取3.52 m3/min；xc為煤層殘存瓦斯含量，取0.68 m3/min；mi為第i鄰近層厚度，取2.52 m；M1為鄰近層工作面采高，取2.52 m；Woi為第i個鄰近層的原始瓦斯含量，取2.60 m3/t；Wci為第i個鄰近層殘余瓦斯含量，取0.68 m3/t；ηi為第i個鄰近層瓦斯排放率；hi為第i鄰近層與開采層垂直距離，取3 m；hp為受采動影響頂底板巖層形成貫穿裂隙，鄰近層向工作面釋放卸壓瓦斯的巖層破壞范圍，取30 m。

基于上述數據，由式（4）和式（5）分別求得ηi=0.90，K3=0.70；由式（2）和式（5）求得開采層相對瓦斯涌出量Q1=2.76 m3/t；由式（3）和式（4）求得鄰近層相對瓦斯涌出量Q2=1.72 m3/t；由式（1）求得相對瓦斯涌出量Q采=4.48 m3/t。

結合工作面實際瓦斯涌出量，抽采量取較大數值4.54 m3/t計算，即工作面相對瓦斯涌出量4.54 m3/t，月生產量10萬t，生產天數25 d，計算得出回采工作面絕對瓦斯涌出量12.61 m3/min，工作面回風流瓦斯濃度不超過0.5%計算，工作面回風量1 130 m3/min，則工作面瓦斯抽采量應不小于6.96 m3/min。

3 瓦斯抽采方案設計

根據B5煤和B6煤瓦斯含量實際情況，采用“高位鉆孔+隅角埋管”聯合抽采方案對B51205綜放工作面瓦斯進行抽采。

3.1 高位鉆孔抽采

（1）鉆孔設計參數：鉆場間距為120 m，每組鉆場布設6~10個鉆孔，鉆孔分2層布置（每層3~5個），鉆孔斜長為80 m~160 m，鉆孔終孔間距為8 m。4#高位鉆場施工6個鉆孔，5#高位鉆場施工8個鉆孔，6#高位鉆場施工10個鉆孔，1#定向高位長鉆孔鉆場施工5個鉆孔，每個鉆孔長度300 m~360 m。

（2）鉆孔施工設備：高位鉆孔施工選用ZYWL-4 000型履帶式鉆孔機，鉆孔直徑113 mm，鉆孔傾角－5°~+25°，鉆頭直徑113 mm；鉆桿直徑73 mm；鉆桿長1 500 mm。定向高位長鉆孔施工選用ZYWL-6 000DS型分體式定向鉆機，開孔直徑96/133/153 mm，終孔直徑96 mm。

（3）封孔：封孔材料選用?90 mm煤礦井下用聚乙烯PE管、聚氨酯和大布。套管工藝為每個鉆孔施工完畢后，利用壓風管吹凈孔內煤渣，從孔口向里下兩節外徑為90 mm礦用聚乙烯管，每節套管長度6 m，下套管12 m。鉆孔套管下完畢后，采用聚氨酯、大布進行封孔，封孔長度為6 m。在管前端1 m處固定一塊大布（長2.6 m×寬0.3 m)，然后將聚氨酯溶液倒在大布上，邊倒藥液邊向封孔管上卷纏大布，并把卷纏好藥液的封孔管迅速插入鉆孔，待聚氨酯膨脹固結后，PE管外露長0.3 m，用于連接?90 mm的鋼絲骨架膠管，以上工作完成后，封堵管口，以防止鉆孔有害氣體溢出。封孔完成后，利用?90 mm的鋼絲骨架膠管與高位鉆孔支管收集器上對應的支管連接，完成單孔集結工作，每個層位鉆孔連接到一個支管收集器上。具體見圖1。

圖1 高位抽采只管收集器示意圖

高位鉆孔各支管收集器與安設傳感器管路、干管收集器采用膠管連接，膠管一端與高位鉆孔支管收集器連接，另一端與安設傳感器管路連接，再與主管路收集器連接，構成抽采系統，高位抽放主管路如圖2所示。

圖2 高位抽放主管路示意圖

3.2 采空區埋管抽采

（1）主、干、支管敷設：地面永久瓦斯抽采泵房經二采區回風上山（B51205軌道順槽回風聯絡巷口）安裝?478×8 mm螺旋縫埋弧焊鋼管（主管），B51205軌道順槽安裝?355 mmSSPE管、?315 mm聚乙烯鋼絲骨架管（干管）經收集器、?219 mm平管（支管）、?219 mm鋼絲軟管連接長55 m的?219 mm平管(平管的末端管口用鐵板焊死）。

（2）立管預埋：在平管末端用配套鋼絲軟管將T型立管與預留支管連接，鋼絲軟管上下口與管路連接處使用2個管卡上緊，T型立管使用?219 mm鋼管加工制作，在2 m長的立管頂部均勻焊接長0.5 m~0.6 m的T型橫管，T型橫管兩端設置篦子，立管底部0.6 m以上打條形孔，T型管兩端使用鐵砂網（10 mm×10 mm網孔）捆綁，防止抽氣過程中煤渣進入立管中。然后使用雙股12#（或8#）鐵絲將立管捆綁固定在巷道上山幫錨桿上，分別在立管前、后端1.5 m處使用長2.7 m的廢舊軌道（或工字鋼、廢舊鋼管）斜撐在巷道上山幫上，軌道鋪設間距0.5 m，軌道鋪設好后，將所有鋪設的軌道用鐵絲擰緊形成一個整體，然后在框架表面鋪設12#鐵絲網，并用扎絲固定好，確保抽采立管進入空區后的抽采空間，防止抽采立管篩孔堵塞，確保抽采效果。

（3）立管預埋工藝：隨工作面回采，每趟平管間隔20 m預埋1個?219 mmT型立管，為了增加抽采距離，?219 mm平管不回收，兩趟?219 mm平管交錯布置逐步預埋至采空區，第一趟立管與第二趟立管間距為10 m,當第一趟T型立管進入采空區18 m時，切換至第二趟平管T型立管(進入采空區8 m)抽采，斷開第一趟平管，安裝第一趟平管第二根T型立管，管路斷開前將控制閘閥關閉，并將管路法蘭盤斷開處兩端分別使用堵板封堵，依次利用兩趟埋管循環連續抽采，瓦斯抽采泵不停，埋管間距可按現場實際情況及抽采效果進行調整，埋管抽采接替具體見圖3。

圖3 埋管抽采接替圖

4 瓦斯抽采效果評價

為掌握“高位鉆孔+隅角埋管”聯合抽采方案對B51205綜放工作面瓦斯的抽采效果，對B51205綜放工作面回采時的瓦斯濃度進行了現場觀測，觀測結果表明：B51205綜放工作面回采時絕對瓦斯涌出量11.68 m3/min，抽采瓦斯量為8.15 m3/min，風排瓦斯量3.12 m3/min，作面回風量1 130 m3/min。回風流瓦斯最大濃度0.41%。由此可見采用“高位鉆孔+隅角埋管”聯合抽采后，工作面瓦斯瓦斯治理效果顯著，滿足工作面安全生產要求。

5 結語

（1）基于瓦斯賦存情況，采用分源預測法對B51205綜放工作面瓦斯涌出量進行計算，確定了工作面瓦斯抽采量最小值為6.96 m3/min。

（2）提出了“高位鉆孔+隅角埋管”聯合抽采方案，并對鉆孔參數、設備和管路敷設進行了設計和選型。

（3）工作面瓦斯綜合治理實踐的現場實測結果表明：采用“高位鉆孔+隅角埋管”聯合抽采方案對B51205綜放工作面進行瓦斯治理后，工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為11.68 m3/min時，抽采瓦斯量為8.15 m3/min，回風流瓦斯最大濃度為0.41%，瓦斯治理效果顯著。