高瓦斯礦井綜放工作面瓦斯治理的研究與探索

李寶生

（開灤集團(tuán)礦山運(yùn)營分公司，河北 唐山 063000）

陜西崔家溝煤礦位于陜西省銅川市北西約42km 處的焦坪礦區(qū)中南部，行政區(qū)劃屬銅川市印臺(tái)區(qū)管轄。礦井北與銅川礦業(yè)有限公司玉華煤礦相接，南與銅川礦業(yè)有限公司下石節(jié)煤礦為鄰。礦井核定生產(chǎn)能力為1.95Mt/a，剩余服務(wù)年限 28a。礦井主要可采煤層為 4-2煤層，為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層，4-2 煤層平均厚度9.74m。近年來，隨著開采深度的增加，煤層瓦斯壓力、含量相對(duì)增加，采掘工作面瓦斯涌出量也逐漸增加，嚴(yán)重制約著礦井的安全生產(chǎn)。預(yù)抽煤層瓦斯是大多數(shù)礦井采取的瓦斯防治的重要措施。目前崔家溝煤礦采用順層平行鉆孔配合定向長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯措施以降低煤層瓦斯含量，降低工作面瓦斯涌出量，達(dá)到治理瓦斯的目的。

1 綜放工作面概況

2311 綜放工作面位于三盤區(qū)東翼巷道的北側(cè)。工作面沿走向布置，按傾斜方向推采。工作面北部為井田邊界區(qū)，西部、東部為未采煤區(qū)。2311 工作面設(shè)計(jì)共布置兩條順槽，一條為運(yùn)輸順槽，承擔(dān)運(yùn)煤、運(yùn)料，兼進(jìn)風(fēng)；一條回風(fēng)順槽用于瓦斯抽采和回風(fēng)。工作面兩順槽均為直墻拱形斷面，錨桿加錨索錨網(wǎng)支護(hù)。工作面運(yùn)輸順槽與東翼皮帶大巷及東翼軌道大巷直接連接，工作面回風(fēng)順槽與東翼回風(fēng)大巷直接連接。

煤層傾角：2～10°，平均5.5°，推采長度：平均1670 m，工作面長度：160m。煤層厚度：0.3～19m，平均可采8.3m。煤層容重1.3t/m3。采用回風(fēng)隅角插管抽放、高位孔抽放、本煤層平行孔預(yù)抽三種抽采方式。工作面瓦斯抽放量16.14 m3/min，風(fēng)排瓦斯涌出量2.54m3/min，瓦斯抽放率86.40 %，其中高位孔抽放量12.36m3/min（平均）占比66.16%。高位孔停抽一小時(shí)減少抽放量741.6m3，這些瓦斯大部分積聚于采空區(qū)空間。回風(fēng)順槽風(fēng)量為1154m3/min，計(jì)算瓦斯增加量為15.58m3。礦井新投入使用的兩臺(tái)2BEF100 型水環(huán)式瓦斯抽采泵，加上原有的四臺(tái)，地面共安裝有六臺(tái)水環(huán)式瓦斯抽采泵，兩用四備（總裝機(jī)功率3920kW，抽采能力1713m3/min）,提高抽放能力。

根據(jù)2018 年西安科技大學(xué)瓦斯地質(zhì)編圖修編報(bào)告，煤層瓦斯含量4.65m3/t，孔隙率8.18/%，瓦斯放散初速度△p 為7.8，煤層堅(jiān)固性系數(shù)為1.3，煤層瓦斯壓力為0.66MPa。衰減系數(shù)為0.2881d-1，透氣性系數(shù)為0.27648m3/Mpa2·d，2021 年瓦斯鑒定結(jié)果，2311 工作面絕對(duì)瓦斯涌出量26.67m3/min。由于2311 工作面為三盤區(qū)綜放工作面，工作面預(yù)抽時(shí)間較短，初期放煤率不高，且煤層頂板為T3 砂巖，厚度較大，從抽放孔測(cè)得T3 砂巖瓦斯?jié)舛冗_(dá)30%以上，且煤層底板積水處出現(xiàn)瓦斯涌出現(xiàn)象。導(dǎo)致工作面在回采過程中工作面回風(fēng)隅角瓦斯常處于臨界值狀態(tài)，時(shí)有造成工作面停產(chǎn)。

2 綜放工作面瓦斯治理方案

2.1 本煤層扇形鉆孔優(yōu)化方案

在工作面回風(fēng)順槽中布置鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距為60m，從回風(fēng)順槽鉆場(chǎng)中施工順層抽采鉆孔。每個(gè)鉆場(chǎng)施工5個(gè)鉆孔，鉆孔終孔間距6m，鉆孔孔徑Φ120mm，封孔深度12m，以保證抽放效果。

由于工作面煤層較厚，在原有本煤層回風(fēng)巷鉆場(chǎng)扇形抽采鉆孔的基礎(chǔ)上，根據(jù)抽采半徑進(jìn)行了抽采優(yōu)化，在相鄰兩鉆場(chǎng)中間每6m 增加2 個(gè)抽采鉆孔，增強(qiáng)瓦斯抽放量。

2.2 回風(fēng)巷高位鉆孔

根據(jù)2311 工作面采放比，高位鉆孔終孔點(diǎn)位置控制在煤層頂板5m 左右，控制工作面回風(fēng)巷側(cè)1/3 左右的距離。鉆場(chǎng)間距60m，每個(gè)鉆場(chǎng)布置5 個(gè)扇形鉆孔，鉆孔直徑Φ113mm，終孔間距10m。

為提高瓦斯抽放率，利用現(xiàn)有每60m 一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置10 個(gè)高位抽放孔，孔徑Φ113mm，邊采邊抽。中負(fù)壓、高流量，2BEC72 泵抽采瓦斯。

2.3 定向鉆機(jī)本煤層長鉆孔預(yù)抽

為了解決2311 工作面回采期間瓦斯涌出量大，同時(shí)通過定向鉆進(jìn)探明頂板走勢(shì)，在進(jìn)風(fēng)巷實(shí)施了本煤層預(yù)抽長鉆孔，鉆孔參數(shù)如表1 所示。

表1 2311 進(jìn)風(fēng)巷鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)表

通過本煤層長鉆孔預(yù)抽考察，每個(gè)鉆孔濃度平均在60%～80%之間，進(jìn)風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛扔稍瓉淼?.3%降低至0.05%。

2.4 采空區(qū)插管抽放

為進(jìn)一步提高采空區(qū)抽放效果，在綜合考慮采空區(qū)自然發(fā)火因素基礎(chǔ)上增加抽采流量改變上隅角插管抽放,由兩趟管路增加至四趟管路，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)多點(diǎn)邁步抽放,總共沿2311 工作面回風(fēng)巷的回風(fēng)隅角敷設(shè)到四趟瓦斯抽采管，采用Φ530mm 一趟、Φ315mmPVC管一趟，敷設(shè)總長度為1750m。低負(fù)壓、高流量，利用2 臺(tái)2BEC100 泵抽采瓦斯。

建立《2311 綜放工作面上隅角抽放管路斷插管管理臺(tái)賬》并詳細(xì)記錄。

采空區(qū)回風(fēng)隅角抽放管路斷管程序：

1.每班必須安排專人對(duì)插管管路進(jìn)行檢查維護(hù)，確保插管能夠正常抽采，在每根Φ315mm 管路上每隔18m（三根管）標(biāo)記“三角”符號(hào)以判斷插管入采空區(qū)距離。

2.當(dāng)斷管標(biāo)志距袋子墻1m 時(shí)，立即安排人員進(jìn)行斷管。

3.施工作業(yè)前，要檢查作業(yè)地點(diǎn)頂板情況，發(fā)現(xiàn)安全隱患要及時(shí)處理。嚴(yán)格執(zhí)行敲幫問頂和專人觀察制度，及時(shí)處理掉活矸和松動(dòng)的巖體嚴(yán)禁空頂作業(yè)。人員在上隅角處施工時(shí)要按要求吊掛便攜式瓦斯檢測(cè)報(bào)警儀。

4.斷管操作要求必須在上隅角封堵墻外斷除插管，嚴(yán)禁在墻內(nèi)（采空區(qū)）斷除插管。斷管后，要保證斷開的采空區(qū)一側(cè)PVC 管與外部管路錯(cuò)并截下一段管路使管口與老管路有0.5m 以上距離，采空區(qū)側(cè)管與外部管路間距不少于0.5m，并把采空區(qū)側(cè)管子口封堵。

5.斷管時(shí)用靜壓水澆淋鋸條，防止鋸條過熱和出現(xiàn)火花。

6.準(zhǔn)備風(fēng)筒布和籮筐，斷管后用籮筐罩住Φ530mm管子新口然后用風(fēng)筒布蒙在籮筐上面，用珍珠巖袋子堵住Φ315mm 管子新口防止在碼袋子墻前采空區(qū)抽采流量減小和雜物進(jìn)入抽放管。等袋子墻碼好撤掉風(fēng)筒布和珍珠巖袋子常開管子口正常抽氣。

7.斷管方式：工作面每推進(jìn)6m 斷一次管既Φ315mm管標(biāo)志距袋子墻至1m 以內(nèi)時(shí)斷開，同時(shí)每次斷管都斷開Φ530mm 管。抽采口分別位于采空區(qū)里3m、6m、9m的位置。必須定期組織人員斷管，保證回風(fēng)隅角采空區(qū)保持三趟抽放管路正常抽放，稀釋排出采空區(qū)及回風(fēng)隅角瓦斯。

8.斷插管施工期間生產(chǎn)單位須積極配合斷管施工單位斷管人員作業(yè)，斷管后及時(shí)修建袋子墻，不能以不拉架子為由影響斷管。

9.加強(qiáng)上隅角頂板管理，及時(shí)處理掉活矸和松動(dòng)的巖體嚴(yán)禁空頂作業(yè)，發(fā)現(xiàn)安全隱患要及時(shí)處理。

10.嚴(yán)禁在上隅角處堆放雜物(正在使用中的設(shè)備、設(shè)施除外），確保斷插管人員的施工空間。

11.施工前做好采面的上封、下堵工作。斷管施工后，在上隅角新建封堵墻把管口置于墻內(nèi)，封堵墻與風(fēng)巷上幫成鈍角。

12.封閉墻用編織袋裝珍珠巖堆垛建成，密閉后把PVC 管與編織袋之間，編織袋與編織袋之間的縫隙用黃泥等填實(shí)。

2.5 準(zhǔn)確分析研判周期來壓及來壓步距

由于工作面液壓支架工作阻力低，老化嚴(yán)重，管路及液壓元件損壞頻繁，支架初撐力達(dá)不到預(yù)期效果，為防止周期來壓造成液壓支架壓死，縮小通風(fēng)斷面，需進(jìn)一步按照進(jìn)尺和時(shí)間兩方面分析工作面周期來壓步距，總結(jié)周期來壓預(yù)兆。

2.6 定期分析各抽放系統(tǒng)抽采效果

1.抽放單位每2 天對(duì)高位鉆孔抽放各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)抽采效果，及時(shí)調(diào)整鉆孔流量及負(fù)壓。

2.抽放單位每周人工觀測(cè)與在線監(jiān)測(cè)進(jìn)行比對(duì)，及時(shí)調(diào)校，減小誤差。

3.抽放單位將每天分析抽采效果，計(jì)算抽采量及抽采率。根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化系統(tǒng)，調(diào)整鉆孔設(shè)計(jì)。

2.7 合理分析調(diào)整工作面回采工藝

1.生產(chǎn)區(qū)隊(duì)負(fù)責(zé)加擺機(jī)尾，使工作面上隅角始終處于鈍角狀態(tài)，使回風(fēng)隅角瓦斯不易積聚。

2.要加快工作面推進(jìn)進(jìn)度，超前移架，防止片幫。

3.要合理安排生產(chǎn)強(qiáng)度，均勻放煤。

4.要調(diào)整采面機(jī)頭高度，減小兩巷落差，降低下行角度。

5.要保持采面直率，保證后溜通風(fēng)空間。

6.要加強(qiáng)上下隅角封堵，堅(jiān)持及時(shí)退錨。

2.8 加強(qiáng)工作面瓦斯監(jiān)測(cè)、風(fēng)量測(cè)定

1.采面瓦檢工每班詳細(xì)對(duì)采面支架上頂、架間加強(qiáng)瓦斯檢查。

2.通風(fēng)部門每3 天對(duì)工作面風(fēng)量進(jìn)行測(cè)定分析，及時(shí)調(diào)整。

3.監(jiān)控中心每天對(duì)工作面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，對(duì)變化超過0.2%的組織分析原因。

4.通風(fēng)部門負(fù)責(zé)工作面上隅角和各抽放管內(nèi)CH4、CO2、CO 等氣體的檢測(cè)，確保施工安全，在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備氣球和取樣器，將管內(nèi)氣體抽至氣球內(nèi)再檢測(cè)濃度，并用便攜式進(jìn)行校對(duì)保證檢測(cè)值真實(shí)，當(dāng)回風(fēng)隅角操作空間瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.5%或管內(nèi)濃度達(dá)到4%時(shí)，嚴(yán)禁斷管作業(yè)，要采取措施處理好后再進(jìn)行操作。

5.現(xiàn)場(chǎng)專盯瓦斯檢查工每班向通風(fēng)部門匯報(bào)采袋子墻距插管抽放管口和斷管標(biāo)志的距離，當(dāng)袋子墻距斷管標(biāo)志1m 時(shí)及時(shí)通知抽放和通風(fēng)部門。

6.通風(fēng)部門每周組織三班上隅角瓦斯管理經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，各點(diǎn)班每天組織回風(fēng)隅角瓦斯管理經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，培訓(xùn)和指導(dǎo)回風(fēng)隅角專盯瓦檢工做好瓦斯管理。

7.回風(fēng)隅角專盯瓦檢工監(jiān)督斷管安全措施的執(zhí)行情況，指揮操作，局部瓦斯積存時(shí)采取可行的措施及時(shí)處理。

3 綜放工作面瓦斯治理效果

崔家溝煤礦針對(duì)2311 綜放工作面瓦斯的實(shí)際情況，調(diào)整了原有的抽采系統(tǒng)，增加抽放量，新投入使用的兩臺(tái)2BEF100 型水環(huán)式瓦斯抽采泵，加上原有的四臺(tái)，地面共安裝有六臺(tái)水環(huán)式瓦斯抽采泵，兩用四備（總裝機(jī)功率3920kW，抽采能力1713m3/min）。目前使用的是一臺(tái)2BEC72 型水環(huán)真空泵配套Φ630mm 波紋鋼管作為高負(fù)壓抽采系統(tǒng)，抽采量130～150m3/min，抽采濃度2.5%～7%左右；2BEC62 型水環(huán)真空泵配套Φ530mm 波紋鋼管作為高負(fù)壓抽采系統(tǒng)，采量100～120m3/min，抽采濃度3%～7%左右；2BEF100 型水環(huán)真空泵配套Φ800mm波紋鋼管作為低負(fù)壓系統(tǒng)，抽采量400～450m3/min，抽采濃度3%～5%左右。井下支管為采用Φ530/Φ315mm的PVC 管。礦井抽采方法主要采用本煤層順層孔預(yù)抽、長距離定向鉆孔抽放、高位孔和采空區(qū)埋管抽放等方式。

通過2311 綜放工作面綜合瓦斯治理工程的實(shí)施，工作面回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛冉档椭?.5%以下，回風(fēng)順槽瓦斯?jié)舛冉档椭?.4%以下，工作面瓦斯?jié)舛冉档椭?.3%以下。

由此可以看出，目前采取的瓦斯治理方案可行，根據(jù)分析，三盤區(qū)2311 綜放面瓦斯防治方案進(jìn)一步優(yōu)化。

1.利用高抽鉆孔邊采邊抽，利用現(xiàn)有每60m 一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)布置10 個(gè)高位抽放孔，孔徑Φ113mm，邊采邊抽。中負(fù)壓、高流量，2BEC62 泵。

2.頂板高位大直徑定向長鉆。采用定向鉆機(jī)施工5個(gè)高位定向孔。鉆孔布置在煤層頂板巖層2m 處，孔徑Φ145mm。中負(fù)壓、高流量，2BEC72 泵。既有利于以瓦斯抽采，降低工程量，又降低了采空區(qū)自燃發(fā)火危險(xiǎn)，能保證工作面安全高效生產(chǎn)。

3.埋管抽放。回風(fēng)隅角繼續(xù)采用三趟埋管抽放。低負(fù)壓、高流量，2 臺(tái)2BEF100 型水環(huán)式瓦斯抽采泵，降低采空區(qū)回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛龋ＷC綜放工作面正常回采。

4 結(jié)語

崔家溝煤礦在2311 綜放工作面投入使用了2BEF 100 型水環(huán)式瓦斯抽采泵并嘗試多種抽采方式，提高了綜放工作面的抽采率，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯礦井工作面低瓦斯生產(chǎn)，降低了瓦斯事故的發(fā)生率，為高瓦斯礦井綜放工作面瓦斯治理的研究與探索提供了事實(shí)依據(jù)。