綜放開(kāi)采工作面回風(fēng)隅角瓦斯治理技術(shù)研究

魏世建

（山西汾西宜興煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 孝義 032300）

采煤工作面采用U 型通風(fēng)方式時(shí)，在回風(fēng)隅角位置容易引起瓦斯集聚，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致瓦斯超限或者瓦斯爆炸等問(wèn)題[1-2]。為此，眾多學(xué)者對(duì)回風(fēng)隅角位置瓦斯治理技術(shù)展開(kāi)研究，并主要從瓦斯抽采、通風(fēng)調(diào)節(jié)等兩方面提出瓦斯治理措施[3-6]。為降低采面回采期間瓦斯涌出，一般需要對(duì)本煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，采用的本煤層抽采鉆孔無(wú)法降低鄰近層或者采空區(qū)裂隙瓦斯含量，同時(shí)鉆孔瓦斯抽采期間若出現(xiàn)塌孔時(shí)則會(huì)影響瓦斯抽采效果[7-8]。綜放開(kāi)采具備開(kāi)采強(qiáng)度大、煤炭產(chǎn)量高等特點(diǎn)，但是回采期間煤層瓦斯涌出量更大，雖然通風(fēng)風(fēng)量有所增加，但是在回風(fēng)隅角位置瓦斯更易集聚，為此文中以3105 綜放工作面回風(fēng)隅角瓦斯治理為背景，在對(duì)回風(fēng)隅角瓦斯超限原因分析基礎(chǔ)上，提出針對(duì)性治理技術(shù)，以期為采面煤炭高效回采創(chuàng)造安全環(huán)境。

1 工程概況

3105 綜放工作面位于南翼采區(qū)中部，開(kāi)采3 號(hào)煤層，該層煤賦存穩(wěn)定，煤層厚度均值4.8 m，傾角8°，頂?shù)装鍘r性以穩(wěn)定的泥巖、細(xì)砂巖以及炭質(zhì)泥巖等為主。3105 綜放工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長(zhǎng)度890 m、斜長(zhǎng)190 m，采面南側(cè)為回采完畢超過(guò)8 個(gè)月的3103 采空區(qū)，西側(cè)為通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，北側(cè)為實(shí)體煤，南側(cè)為采區(qū)輔助回風(fēng)巷。

3 號(hào)煤層埋深均值460 m，瓦斯含量介于6.9～8.7 m3/t，3105 綜放工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量10.9 m3/min。

2 回風(fēng)隅角瓦斯聚集原因分析

2.1 采面瓦斯治理現(xiàn)狀

回采前在回采巷道巷布置順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，布置的鉆孔孔深、孔徑分別為92 m、75 mm。在瓦斯抽采巷內(nèi)布置低瓦斯抽采管路，管路孔徑分別為400 mm、300 mm，抽采管路分別與通過(guò)聯(lián)絡(luò)巷抽采采空區(qū)、回風(fēng)隅角處瓦斯。對(duì)采面瓦斯抽采情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)本煤層鉆孔抽采混量均值為140 m3/min、濃度介于48%～63%；回風(fēng)隅角布置的直徑300 mm 低瓦斯抽采管流量均值為48.5 m3/min、濃度1.59%；采空區(qū)直徑400 mm 抽采管流量58.8 m3/min、濃度4.72%。

3105 綜放工作面設(shè)計(jì)的風(fēng)量為1 550 m3/min，采面在初期回采期間瓦斯涌出正常，回風(fēng)巷及回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛确謩e在0.35%、0.49%以?xún)?nèi)。采面推進(jìn)至480 m 位置時(shí)，回風(fēng)隅角瓦斯出現(xiàn)瓦斯增高跡象，瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到0.78%，存在有較大的瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)，后采取停采、強(qiáng)化通風(fēng)等方式將回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛冉抵?.5%以?xún)?nèi)；在后續(xù)回采過(guò)程中回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛炔煌潭瘸霈F(xiàn)明顯增高問(wèn)題，在一定程度制約礦井煤炭高效回采。

2.2 瓦斯集聚分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致3105 綜放工作面回風(fēng)隅角位置瓦斯超限的主要原因是采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出，瓦斯涌出較大受鄰近采空區(qū)裂隙瓦斯涌出以及采空區(qū)原有埋管抽采效率低導(dǎo)致。

1）采空區(qū)埋管抽采效率低。在采面采空區(qū)布置管徑400 mm 瓦斯抽采管，受抽采長(zhǎng)度大、負(fù)壓低以及采空區(qū)瓦斯抽采時(shí)阻力大等因素影響，采空區(qū)瓦斯抽采效果不佳。特別是采空區(qū)頂板來(lái)壓、垮落壓縮采空區(qū)空間，導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯涌出增加。

2）裂隙瓦斯涌出影響。3105 綜放工作面南側(cè)為3103 采空區(qū)，留設(shè)保護(hù)煤柱寬度為25 m，在3105 運(yùn)輸巷布置窺視鉆孔探測(cè)發(fā)現(xiàn)，煤柱裂隙以及采空區(qū)頂板裂隙發(fā)育，3103 采空區(qū)與3105 采空區(qū)間存在有貫通裂隙，從而導(dǎo)致3103 采空區(qū)內(nèi)部分瓦斯向3105 采空區(qū)涌出，增大采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛取?/p>

3 回風(fēng)隅角瓦斯治理技術(shù)

依據(jù)采面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出綜合采用大直徑鉆孔抽采、高位鉆孔抽采技術(shù)，通過(guò)對(duì)采空區(qū)瓦斯以及裂隙瓦斯涌出攔截，降低回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

3.1 大直徑鉆孔抽采

大直徑鉆孔是使用大直徑螺旋轉(zhuǎn)機(jī)向煤柱上施工大直徑鉆孔，在孔內(nèi)裝入套管，并與瓦斯抽采管理連接。隨著采面推進(jìn)，大直徑鉆孔進(jìn)入到采空區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯抽采。由于大直徑鉆孔間距小、鉆孔孔徑大，可有效攔截采空區(qū)涌出瓦斯。在3105 綜放工作面布置的大直徑鉆孔采用ZDY4000S 液壓鉆機(jī)施工，開(kāi)孔位置位于瓦斯巷煤柱上，開(kāi)孔距離底板1.2 m，鉆孔按照25°仰角施工，孔深10 m、間隔5 m/孔徑500 mm，具體布置見(jiàn)圖1 所示。大直徑鉆孔施工完成后，孔內(nèi)下放管徑480 mm 瓦斯抽采軟管，并將抽采軟管與瓦斯巷內(nèi)瓦斯抽采管路進(jìn)行連接。采空區(qū)瓦斯采范圍集中在采面后方5～20 m。

圖1 大直徑鉆孔布置示意圖

3.2 高位鉆孔抽采（見(jiàn)圖2）

圖2 高位鉆孔布置示意圖（mm）

將高位鉆孔布置在回風(fēng)巷實(shí)體煤壁位置，鉆孔布置形狀為梯形，鉆孔深度4.0 m、高度3.5 m，鉆孔內(nèi)口、外口長(zhǎng)度分別為3.0 m、5.0 m。第一個(gè)鉆場(chǎng)距離采面切眼150 m，厚度間隔100 m 布置鉆場(chǎng)。在每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置3 個(gè)高位瓦斯抽采鉆孔，鉆孔開(kāi)孔距離鉆場(chǎng)底板1.5 m，孔深均為120 m，鉆孔水平角分別為10°、20°、30°，控制靠近采空區(qū)靠近回風(fēng)巷20～60 m 范圍，終孔層位位于煤層頂板上覆15～20 m 位置。鉆孔施工完成后即進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，從而降低裂隙瓦斯涌出。

3 瓦斯治理效果

3.1 瓦斯抽采效果

3.1.1 大直徑鉆孔抽采效果

在3105 綜放工作面采用大直徑鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，并適當(dāng)提高鉆孔抽采負(fù)壓。通過(guò)抽采后，采空區(qū)瓦斯?jié)舛纫约跋蚧仫L(fēng)隅角瓦斯涌出量明顯降低。具體大直徑鉆孔瓦斯抽采情況見(jiàn)圖3 所示。

圖3 大直徑鉆孔瓦斯抽采統(tǒng)計(jì)結(jié)果

傳統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采采空區(qū)瓦斯時(shí)，抽采混量、濃度、抽采純量為58.8 m3/min、2.78 m3/min、4.72%。從上3 圖看出，與傳統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采相比，大直徑鉆孔瓦斯混量、抽采濃度以及純量均有所增加，其中抽采混量平均增加至102 m3/min、抽采濃度增加至7.1%、抽采純量增加至7.242 m3/min，采空區(qū)瓦斯抽采純量增幅達(dá)到261%，瓦斯涌出攔截效果顯著。

3.1.2 高位瓦斯抽采效果

在采面回風(fēng)巷布置高位鉆孔對(duì)采空區(qū)裂隙瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。對(duì)鉆場(chǎng)內(nèi)高位鉆孔抽采情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)鉆孔抽采負(fù)壓穩(wěn)定在10～13 kPa，抽采濃度、純量穩(wěn)定在9.7%、1.35 m3/min，通過(guò)高位鉆孔抽采可有效降低裂隙瓦斯涌出。

3.2 回風(fēng)隅角瓦斯治理效果

在3105 綜放工作面綜合使用大直徑鉆孔、高位鉆孔對(duì)瓦斯抽采后，可有效攔截采空區(qū)及裂隙內(nèi)瓦斯向回風(fēng)隅角涌出量。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，大直徑鉆孔、高位鉆孔瓦斯抽采純量穩(wěn)定在7.242 m3/min、1.35 m3/min，抽采效果較傳統(tǒng)的埋管抽采方式明顯增強(qiáng)。對(duì)回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，在后續(xù)回采期間回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛染刂圃?.5%以?xún)?nèi)。

4 結(jié)論

綜放開(kāi)采可顯著提高礦井煤炭生產(chǎn)效率，煤炭開(kāi)采強(qiáng)度增加會(huì)增大瓦斯涌出以及采空區(qū)內(nèi)遺煤量，回風(fēng)隅角位置容易積聚，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)瓦斯超限或者其他安全事故。對(duì)3105 綜放工作面回風(fēng)隅角瓦斯集聚原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)影響下采空區(qū)、裂隙瓦斯會(huì)經(jīng)回風(fēng)隅角涌出，導(dǎo)致回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛绕摺?/p>

針對(duì)原采用的采空區(qū)埋管抽采量偏低、回風(fēng)隅角瓦斯治理效果不佳問(wèn)題，綜合采用大直徑鉆孔、高位鉆孔方式對(duì)采空區(qū)及頂板裂隙瓦斯進(jìn)行預(yù)抽。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，采面后續(xù)回采過(guò)程中回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛染刂圃?.5%以?xún)?nèi)，未出現(xiàn)明顯增加情況，表明現(xiàn)場(chǎng)采用的回風(fēng)隅角瓦斯治理措施取得較好效果。