SW1403 超長工作面瓦斯抽采綜合治理技術

◎倪振族

一、礦井概況

曉南礦是鐵法能源公司最早達到質量標準化、現代化并保持特優級質量標準化的礦井，是全國煤炭工業一級企業，全國特級高產高效礦井，是原煤炭部確定的全國15 個現代化樣板礦井之一。

礦井設計生產能力90 萬t，經1988 年至1991 礦井改擴建后，核定年生產能力達到150 萬t，2007 年開始核定年生產能力為 210 萬 t。

礦井開拓方式為立井、主要運輸大巷、采區石門、溜煤眼、上下山開采的開拓方式。礦井現有四個井筒，均為立井，分別是主井、副井、東風井、中央風井；主井用于提升煤炭、擔負二水平北一采區和二水平北二采區回風；副井主要用于入風、運送人員、提運材料設備及排水等，東風井用于東一采區及二水平南翼采區回風。

整個礦井劃分為兩個水平開采，分別為一水平和二水平；一水平為現生產水平，水平標高為-385 米，三條南北走向的主要大巷布置在巖石中，即運輸大巷、皮帶大巷、回風大巷。井底車場形式為梭式。回風大巷作為礦井及采區的專用回風道貫穿整個井田。主要運輸采用膠帶運輸機運輸。開采程序為下行開采，推進方式為：采區前進式，工作面后退式開采。礦井通風方式為中央并列與單翼對角混合式。

二、工作面概況

工作面地表位于曉南礦工業廣場南部；為平坦耕地，有一條村級公路（曉南礦-張莊）、三條高壓線（曉南礦-張莊29#、30#、曉南礦-西二沙井，產權：供電部）、三條通訊線路、兩條管路及曉南永安液化氣站。地表標高為68.32-75.23m。

SW1403 工作面井下位于南翼采區西部。南以SW1400 工作面（未開拓）相鄰；北與SW1402 工作面相鄰；東為二水平南翼西皮帶中巷；西部為FW2-5 斷層。工作面運順長1084m，一回順長69m，二回順長852m，一切眼長215m，二切眼長146m。面積301847㎡。

地質構造：工作面總體為一單斜構造，煤層傾向294°～308°，傾角3°～8°，平均為6°。開切眼區域掘進期間實見FW2-5 斷層，參數：137°∠50°，H=0.80m。

煤質情況：本工作面所采煤層為下含煤段14#煤層，煤層厚度1.70～3.65m，平均厚度2.58m。煤層結構復雜，含夾矸3～8層，夾矸厚度0.05～1.20m，夾矸為泥巖、炭質泥巖、粉砂巖和火成巖。煤層呈條帶狀，近水平層理，節理發育，以亮煤為主，瀝青光澤，不平坦斷口，14#煤為長焰煤，根據煤質化驗成果表421 鉆孔的煤質化驗成果分析，預計工作面原煤工業指標為：水份（M/t）6.97%，灰分（Ag）21.27%，揮發分（V/daf）37.58%，結合工作面煤質化驗結果預計發熱量（Qnet，ar）為3104 卡/克。

煤層頂底板：煤層頂板，該工作面煤層頂板由直接頂及基本頂組成。直接頂由泥巖、火成巖和細砂巖組成，厚度5.4～10m，平均7.71m。基本頂由粗砂巖、細砂巖、泥巖組成。煤層底板，14#煤層底板為粉砂巖，中砂巖及泥巖，夾粗砂巖。14#煤層下部15-1#煤層，煤厚為0.77m，層間距29-34m，平均為31m。

瓦斯抽采情況：在2019 年瓦斯等級鑒定工作中，礦井絕對瓦斯涌出量為43.06m3/min，相對瓦斯涌出量為12.01m3/t，為高瓦斯礦井。曉南礦主采煤層的瓦斯含量、瓦斯壓力均小于煤層突出的臨界值。瓦斯以吸附和游離方式賦存在煤層中，14#煤層瓦斯壓力0.45MPa、瓦斯含量4.95m3/t、瓦斯放散初速度8.421mmHg、煤體堅固性系數0.8f，預計絕對瓦斯涌出量19.84m3/min；回采期間該工作面最大瓦斯抽采量為28.09m3/min；風排瓦斯量為11.1074m3/min；絕對瓦斯涌出量為39.1974m3/min。

三、工作面瓦斯抽采難點及瓦斯來源分析

由于該工作面切眼長度360 米，屬于超長工作面，在回采過程中由于礦壓顯現特征來看，分段來壓現象明顯、采動影響波及范圍廣、老頂初次破斷具有不對稱性、頂板運動有沿煤壁切落特征、老頂周期性破斷首先發生在工作面中部等規律，這樣導致瓦斯來源大部分在工作面的中部，慢慢向兩側運移，瓦斯分布面積廣，同時存在不同的瓦斯積聚區域，隨著采動影響，波及范圍廣，危險系數高，初期采用單一短鉆孔不易抽采，同時頂板冒落裂隙帶的瓦斯向工作面及回風隅角方向運移導致瓦斯積聚，留有巨大的安全生產隱患，面對諸多瓦斯抽采技術難題進行綜合分析：

1.現場施工的難點問題：

（1）工作面回采期間頂板冒落過程中裂隙帶導致的瓦斯涌出量明顯增加，在回順施工瓦斯抽采鉆場，施工斜交抽采鉆孔，但由于工作面切眼360 米以及鉆機能力等的原因，導致鉆孔施工工藝以及瓦斯抽采的范圍有一定的局限性，達不到滿足生產要求的抽采效果，致使工作面在回采期間頻頻瓦斯異常涌出，造成瓦斯超限，帶來巨大的安全隱患的同時制約著生產。（2）由于單一的抽采管路無法滿足埋管抽采，容易在回采期間回風隅角造成瓦斯積聚。（3）沒有建立鄰近采空區抽采的系統，無法進行相鄰采空區卸壓抽采。

2.本工作面回采期間瓦斯來源：

（1）本層落煤期間解吸瓦斯量為4.13m3/min，約占采面瓦斯涌出量的13.9%。

（2）鄰近層及鄰近采空區：上鄰近層12#煤平均厚度0.96m距本層15.52m（平均），下鄰近層15-1#煤厚度0.59m，距本層28m（平均）；相鄰采空區：北部鄰近SW1402 采空區、南部為SW1401采空區；約占SW1403 絕對瓦斯涌出量的86.1%（見圖1）。

圖1

四、采用有針對性的綜合抽采技術

針對上述回采過程中存在的瓦斯抽采難點，以及現場施工工藝存在的問題，同時結合瓦斯來源進行全面綜合分析，采取針對有效的防范措施，如何能夠保證抽采的最大化，我們采用綜合抽采技術，進行全方位瓦斯抽采。（見圖2）圖中標注序號為綜合抽采方法。

圖2

1.在工作面回順抽采鉆場內施工斜交鉆孔，同時補充施工高位鉆場，在高位鉆場內施工近水平長鉆孔，使用導正鉆桿，更換大徑鉆頭，同時增加鉆孔數量，最大限度的泄壓瓦斯，增加煤層及頂板裂隙帶的透氣性，保證最佳的抽采效果，保證鉆孔接續。

2.保證鉆孔施工長度同時，采用增透的方法在下套管過程中增加篩管數量，根據回采進度，垮落步距的不同，逐段抽采，使得鉆孔的有效期延長，從而提高抽采范圍及鉆孔的抽采率。

3.更換大扭矩鉆機及引進新裝備新設備，引進ZDY3500La型全液壓履帶鉆機，施工超長鉆孔，斜交鉆孔和水平長鉆孔其終孔點均能控制在工作面三分之二以上。

4.在抽采自動計量的過程中，根據鉆孔單孔抽采量及時調整鉆孔參數，發現鉆孔抽采量及抽采濃度、透氣性等原因發生異常變化時，及時分析查找原因進行相應的處理。

5.施工時保證鉆孔的精準度，由于施工鉆孔長度過深的原因，容易導致鉆孔終孔點偏差過大，采用鉆孔測斜儀器及鉆孔深度測量儀進行測量，對參數及時作出相應的調整，保證鉆孔施工到設計的終孔位置，保證有效的抽采。

6.采用鄰近采空區卸壓抽采方法，在SW1403 回采工作面的回風巷接設一趟管路至SW1402 回順密閉前，進行鄰近采空區卸壓抽采，在抽采過程中定期進行取樣化驗分析，隨時調整抽采負壓，此鄰近采空區抽采卸壓并解決工作面運順三分之一區域處的積存瓦斯，配合超長鉆孔及水平長鉆孔抽采使得抽采網絡覆蓋全斷面。

7.工作面回風隅角埋管抽采，在回順另接設一趟400 管路，該管路抽采量大，同時使用自主研發的埋管機關三通（見圖4），瓦斯觀測人員記錄最佳抽采范圍和時間，人工調整最優抽采距離，保證采空區回風隅角瓦斯積聚區域的不間斷抽采。

圖4

五、安設瓦斯抽采系統自動計量裝置

瓦斯抽采自動計量，能夠實時反映瓦斯抽采情況，為抽采量提供了準確的數據，同時瓦斯自動計量是瓦斯抽采管理中最重要的一環，該設備結構簡單、安裝方便，井下適應性強，通過對瓦斯抽采現場使用情況的考證，明確其具有一定的準確性和可靠性，為瓦斯抽采自動計量提供可靠的數據支持，具有一定的應用推廣意義。

在SW1403 回采工作面回風道主干管路安設兩套自動計量裝置，即高濃、低濃管路主干管路計量裝置，在回順抽采鉆場及高位鉆場安設分支抽采自動計量裝置，實行全方位的瓦斯抽采監測監控，對發現的問題及時提出有效的應對措施，根據甲烷濃度和抽采量調整鉆孔的設計參數及施工數量，根據一氧化碳的濃度組織相應的防滅火工作，根據管路的壓力傳感器的數值顯示，對表現出來的問題做出最快的應對措施，調整負壓，排查管路，以保證抽采量的最大化。

六、自制研發新型多功能負壓氣水分離器

在瓦斯抽采的過程中，水和煤渣一起隨著瓦斯抽采支管路進入主管路，造成主管路含水及堵塞，減少管路通過瓦斯的截面積，影響瓦斯的抽采效果：

1.不利于工作面瓦斯管理，瓦斯抽采效率低，容易造成工作面及回風隅角瓦斯濃度升高，導致瓦斯積聚，給安全工作帶來巨大隱患。

2.由于管路積水及除渣工作導致維護工作量大，需要斷口放水及定期清理管路內的煤渣，操作工程及其復雜，嚴重影響各類鉆孔抽采，給瓦斯抽采工作帶來不便。

針對該情況，自制研發并多次試驗，制作了一套多功能負壓氣水分離器。該裝置有鐵板焊接而成，將抽采的瓦斯、水和煤渣首先進入該裝置，煤渣和水存放在該裝置內，瓦斯從該裝置上端的出口直接進入瓦斯抽采主管路，煤渣沉積在該裝置底部，水通過該裝置內的自動排放裝置定期排放到附近的水窩子里。需要清理煤渣時，將主管路和該裝置連接的閥門關閉，清理出煤渣后，打開閥門，恢復干、支管路瓦斯抽采，該裝置在SW1403 回順2 個正在抽采的鉆場投入使用，使用效果良好（見圖3）。

圖3

七、采用綜合抽采技術后的瓦斯對比曲線圖

在未使用綜合抽采技術前，工作面以及回風隅角的瓦斯情況不容樂觀，在對該工作面使用綜合抽采技術后，效果顯著（見圖5）

圖5

八、結束語

曉南礦在回采SW1403 超長工作面為保證回采安全，針對發現的瓦斯抽采問題進行多種方面綜合研究，有針對性的采用綜合抽采的方式以及注重抽采細節工作解決現場的瓦斯抽采難點問題，從分析瓦斯的來源到現場實施組織，采用更換設備、設施、采用新工藝，安設抽采自動計量裝置，走在創新的前沿，合理組織各項工程的良好銜接，保證全覆蓋全斷面無死角的進行瓦斯抽采，保證安全回采。