高位裂隙帶瓦斯預抽技術在回采工作面中的應用

楊鵬飛

（晉能控股煤業集團安全督察大隊，山西 大同 037000）

1 工作面概況

王莊煤礦主采3#煤層，1301 綜采工作面位于王莊煤礦一采區，工作面周邊無采空區，工作面走向可采部分為切眼向外441 m，切眼長240 m，采煤工藝為綜采，頂板處理采用全部垮落法，工作面通風方式為U 型通風。根據礦井3#煤層瓦斯涌出量預測報告以及工作面實際情況可知，一采區范圍內的最大瓦斯含量在11.95 m3/t 左右，1301 工作面回采期間的最大瓦斯涌出量可達14.81 m3/min，平均瓦斯涌出量在8.49 m3/min 左右。

2 瓦斯地質情況

2.1 地質情況

1301 綜采工作面所在3#煤層屬二疊系下統山西組，最小煤厚4 m，最大煤厚4.4 m，均厚4.2 m，平均煤層傾角4°，煤體硬度系數在0.5～1.0 之間，煤層存在炭質泥巖夾矸，夾矸均厚0.7 m。該煤層煤質為貧煤，結構較為單一，煤層厚度變化不大，賦存穩定，煤體以塊、粒狀為主。煤層基本頂平均厚度為13 m，由砂巖和泥巖混合構成，巖層內裂隙發育；直接頂平均厚度為2.4 m，由砂質泥巖構成；偽頂平均厚度1.3 m，由泥巖構成，易冒落。

2.2 瓦斯賦存情況

工作面所采3#煤層瓦斯透氣性系數大致為0.099 7 m2/MPa2·d，瓦斯放散初速度△p=13～19，瓦斯涌出衰減系數為0.563 9，百米鉆孔初始瓦斯涌出量為0.128 m3/min·hm，煤層孔隙率為2.0%～3.4%。經測定，1301 綜采工作面煤層瓦斯含量為5.96～11.76 m3/t，瓦斯殘存含量2.74 m3/t，瓦斯最大壓力值為0.45 MPa，小于0.74 MPa。

3 先期瓦斯治理措施及效果分析

3.1 先期瓦斯治理措施

1301 綜采工作面的先期瓦斯治理方式為本煤層順層鉆孔抽放與采空區埋管抽放。

（1）本煤層順層鉆孔抽放。如圖1 所示，首先在1301 工作面瓦斯排抽巷和運輸順槽交錯布置順層瓦斯抽放鉆孔，鉆孔距頂板1 m，垂直于巷幫，孔間距為5 m，孔深130 m。鉆孔施工完成后埋入抽放管，使用聚氨酯進行封孔處理。然后在工作面切眼內垂直于煤壁布置順層瓦斯抽采鉆孔一排，孔間距為2 m，孔深60 m。鉆孔施工完成后同樣埋入抽放管并進行封孔。最終，將所有抽放管與一采區瓦斯抽放泵站的主管路連接，進行工作面瓦斯預抽。

圖1 1301 工作面順層瓦斯預抽鉆孔布置示意圖

（2）采空區埋管瓦斯抽放。工作面在回采期間，在1301 瓦斯排抽巷安裝低負壓抽采管路一趟，管路采用阻燃材質的PVC 管，直徑為150 mm，長度為50 m，共7 根。在抽采管路上安裝三通，接入抽采花管，三通安裝間隔為20 m。隨后將花管埋入采空區進行瓦斯預抽，花管埋入長度應大于30 m。

3.2 效果分析

對1301 工作面實施本煤層順層鉆孔瓦斯抽放及采空區埋管瓦斯抽放后，回采期間工作面內煤壁處最高瓦斯濃度為1.1%，平均瓦斯濃度為0.4%，上隅角最大瓦斯濃度為2.1%，平均瓦斯濃度為1.4%。受到采空區瓦斯涌出的影響，在切眼87 架到131架之間的機道附近最大瓦斯濃度為2.8%，平均瓦斯濃度為1.9%，回采過程中因瓦斯超限觸發斷電共計3 次。

對工作面現場進行觀察分析發現，1301 工作面內瓦斯來源主要為本煤層賦存瓦斯以及工作面上覆巖層裂隙內瓦斯兩部分，其中上覆巖層裂隙內瓦斯占比將近40%。隨著工作面推進過后采空區頂板垮落，上覆巖層裂隙內瓦斯通過采空區涌入工作面[1-4]，僅采用本煤層順層鉆孔抽采以及采空區埋管抽采無法滿足工作面瓦斯治理需要。針對這種情況，王莊煤礦研究采用了高位裂隙帶瓦斯抽采技術抽采上覆巖層內瓦斯。

4 高位裂隙帶瓦斯抽采技術

為保證1301 綜采工作面在回采期間的安全生產，針對上覆巖層內賦存的瓦斯采取高位裂隙帶瓦斯抽采技術。

4.1 設備選取

由于本次1301 綜采工作面上覆巖層裂隙帶瓦斯抽采鉆孔角度為仰角，使用水力沖出孔內煤屑。選用型號為C60P-400 液壓鉆機，鉆桿規格為Ф73 mm，長1.5 m，鉆頭采用規格Ф85 mm 的三棱復合鉆頭+Ф110 mm 的擴孔鉆頭。封孔設備選用型號為SGB8-12 的注漿機，注漿效率為88 L/min，注漿機功率為22 kW，配備Ф90 mm、長1.5 m 的PE 管4根。C60P-400 液壓鉆機技術參數見表1。

表1 C60P-400 液壓鉆機技術參數表

4.2 高位鉆場布置

（1）在1301 工作面瓦斯抽排巷內沿煤層頂板施工高位鉆場，深4 m，高2.5 m，寬4.5 m，在停采線向工作面切眼方向150 m 處開始施工高位鉆場，并以50 m 間距向切眼方向繼續施工高位鉆場共6 個。

（2）鉆場頂板支護采用錨桿+JW 鋼帶、錨索+吊棚聯合。錨桿采用高強度左旋螺紋鋼材質，打設間排距為1 m，每4 根錨桿配套一條JW 鋼帶，鋼帶長4.2 m，錨索長度為5 m，一排打設3 根錨索，每排錨索吊掛一根工字鋼梁，間距2 m，共計施工兩排。巷幫打設玻璃鋼錨桿，間排距為1.2 m×1 m，共施工兩排錨桿。

4.3 鉆孔參數

如圖2 所示，在高位鉆場內部切眼側巷幫布置瓦斯抽放鉆孔，每個鉆場布置4 個，編號為1#～4#，開孔位置位于頂板以下1 m 處，孔間距1 m，孔徑85 mm，孔深130 m，鉆孔距巷幫0.5 m。1#孔傾角為+9°，水平夾角為30°，終孔位置與頂板垂距為19 m；2#孔傾角為+7°，水平夾角為22°，終孔位置與頂板垂距為15 m；3#孔傾角為+5°，水平夾角為14°，終孔位置與頂板垂距為10 m；4#孔傾角為+3°，水平夾角為6°，終孔位置與頂板垂距為6 m。

圖2 高位瓦斯抽采鉆孔布置平面示意圖

4.4 封孔工藝

鉆孔打設完成后，首先對鉆孔前11 m 進行擴孔處理，采用Ф110 mm 的擴孔鉆頭進行，擴孔完成后在孔內埋入瓦斯抽放管路4 根，每根1.5 m，以絲扣連接緊固。管路下設完成后，在管路與孔壁間隙內埋入注漿軟管，直徑為16 mm，長度6 m，下設完成后采用膨脹水泥對孔口和擴孔結束位置分別進行封孔處理，封孔長度同為0.5 m。封孔工藝示意圖如圖3。封孔完成后，連接注漿軟管與注漿泵進行注漿，向孔壁與注漿管路空隙內注入配比為7:1:12 的水泥、石膏及清水混合漿液，注漿壓力為12 MPa。

圖3 封孔工藝示意圖

5 結論

（1）1301 工作面在回采前期，采用了順層鉆孔進行本煤層瓦斯抽放及采空區埋管抽放的方式，抽采效果未達到預期，導致工作面內瓦斯頻繁超限，嚴重影響工作面生產安全及效率。通過對工作面現場進行觀察分析，發現工作面內瓦斯來源為本煤層瓦斯以及上覆巖層裂隙內瓦斯，研究采用了高位裂隙帶瓦斯抽采技術對上覆巖層裂隙內瓦斯進行抽采。

（2）截至2021 年2 月，1301 綜采工作面全部回采結束，實施高位裂隙帶瓦斯抽采技術后，工作面回采期間瓦斯涌出量明顯減少，上隅角瓦斯濃度保持在0.5%以內，機道位置瓦斯濃度保持在0.8%以內，采空區內瓦斯濃度保持在3%以內，瓦斯治理效果顯著。工作面直至回采結束未出現瓦斯超限導致斷電的情況，工作面的生產安全及效率得到有效保障。