沙曲一礦4206工作面瓦斯抽采設(shè)計與應(yīng)用研究

郭輝

（華晉焦煤有限責(zé)任公司 沙曲一礦，山西 呂梁 033015）

0 引 言

我國高瓦斯、突出煤層賦存較多，安全開采一直是礦井面臨的技術(shù)難題[1-3]。尤其是工作面開采期間瓦斯?jié)舛取⑼咚箟毫Τ迾O易導(dǎo)致瓦斯事故發(fā)生。國內(nèi)外專家學(xué)者及現(xiàn)場工程技術(shù)人員，針對高瓦斯、突出煤層的瓦斯抽采防治技術(shù)開展了卓有成效的研究和現(xiàn)場實踐，產(chǎn)生了大量實用科技成果。程志恒等[4-5]針對近距離煤層群開采，提出了井上與井下聯(lián)合防突技術(shù)，并建立了動態(tài)效果評價機(jī)制，成功應(yīng)用于沙曲一礦。劉兆宇[6]以王家?guī)X礦18104工作面瓦斯抽采為背景，提出了本煤層瓦斯預(yù)抽采及采中高位鉆孔抽采相結(jié)合的瓦斯治理方案。王寧[7]根據(jù)工作面瓦斯涌出規(guī)律，提出了1203工作面瓦斯抽采方案，保證了工作面安全開采。趙賢月[8]利用數(shù)值模擬方法研究了工作面順層抽采技術(shù)，獲得了最佳的大直徑鉆孔抽采技術(shù)參數(shù)。趙明卿[9]針對211西工作面瓦斯治理問題，設(shè)計了底抽巷穿層抽采和本煤層順層抽采聯(lián)合抽采方案并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，消突效果好。姚美紅[10]分析了工作面回風(fēng)隅角瓦斯積聚影響因素，提出了工作面綜合抽采方法，預(yù)防工作面瓦斯超限。郝曉偉[11]針對中興礦1415工作面高瓦斯抽采問題，提出了全方位立體抽采方案，瓦斯抽放率達(dá)到了61.4%，工作面開采期間瓦斯?jié)舛纫恢钡陀?.4%。

1 工程概況

沙曲一礦4206工作面為二采區(qū)第6個回采工作面，北面為4207采空區(qū)，南面至高家山村保護(hù)煤柱，東面為大巷，西面為未開拓區(qū)。工作面埋深在421~621 m，地表為典型的黃土梁峁結(jié)構(gòu)。工作面開采3+4號煤層，煤層厚度3.9~4.3 m，平均厚度為4.1 m。煤層傾角0~7°，平均4°。工作面直接頂為灰黑色泥巖，厚度5 m；老頂為淺灰色細(xì)砂巖，厚度為6 m；直接底為深灰色細(xì)砂巖，厚度為3.6 m；老底為深灰色泥巖，厚度為1.5 m。3+4煤層與下部5號煤層間距為5.1 m，屬于近距離開采煤層。3+4煤層及其下部5號煤層均具有突出危險性，一旦4206工作面開采，兩煤層間煤巖發(fā)生破壞，5號煤瓦斯將通過煤巖裂隙向4206工作面采空空間流動，容易造成瓦斯超限等問題。

4206工作面走向長度243 m，傾向長度1 586.5 m，采用傾斜長壁后退式綜采工藝回采。工作面機(jī)軌合一巷采用切頂留巷工藝，兩進(jìn)一回“Y”型通風(fēng)方式。

4206工作面布置及通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 4206工作面布置及通風(fēng)系統(tǒng)Fig.1 Layout and ventilation system in NO.4206 Face

2 工作面瓦斯抽采設(shè)計

4206工作面的3+4號煤層及其下部5號煤層均是突出煤層，因此必須同步考慮瓦斯抽采設(shè)計。基于此，提出工作面本煤層順層抽采+裂隙帶滯后抽采+下鄰近層抽采的瓦斯聯(lián)合抽采技術(shù)方案。

2.1 本煤層順層瓦斯抽采設(shè)計

4206工作面本煤層瓦斯抽采鉆孔主要分為3種形式布置。第一種在原4207配巷南側(cè)幫，向4206工作面方向布置瓦斯抽采鉆孔，設(shè)計8組預(yù)抽4206工作面順層定向區(qū)域預(yù)抽鉆孔，方位角均為179°，共計鉆孔45個，孔間距10~15 m，孔徑105 mm。

第二種在5207軌道巷南側(cè)幫沿4206工作面回采方向布置穿層定向預(yù)抽鉆孔，其中布置了7組“開孔扇形、終孔平行”方式布孔，即“先穿層至4號煤，后順4號煤層平行鉆進(jìn)”共計65個鉆孔，同一鉆場相鄰鉆孔開孔間距0.5 m，終孔間距10~20 m，目標(biāo)方位角均為179°，單孔平均孔深345 m，孔徑均為105 mm。抽采穿巖段空白區(qū)瓦斯，在5207軌道巷南側(cè)幫設(shè)計穿層平行鉆孔，提前預(yù)抽4206進(jìn)風(fēng)巷和5207軌道巷，施工4206工作面3+4號煤區(qū)域預(yù)抽鉆孔相鄰鉆孔終孔間距為12~20 m，終孔直徑105 mm，布置鉆孔173個，平均孔深39 m。

第三種分別在4206機(jī)軌合一巷北側(cè)幫和4206進(jìn)風(fēng)巷南側(cè)幫設(shè)計本煤層平行鉆孔，孔徑94 mm，平均孔深為169 m，孔間隔15 m，共設(shè)計165個鉆孔。

2.2 下鄰近層穿層瓦斯抽采設(shè)計

4206工作面下部5號煤層瓦斯抽采設(shè)計分別在5207軌道巷內(nèi)和4206回風(fēng)巷內(nèi)布置開孔扇形、終孔平行穿層鉆孔，其中5207軌道巷設(shè)計布置4組21個鉆孔，孔徑105 mm，同一鉆場相鄰鉆孔開孔間距0.5 m，各鉆孔終孔間距20~30 m，目標(biāo)方位角均為179°，平均孔深343 m。為了補(bǔ)充三角空白區(qū)在5207軌道巷南側(cè)幫南側(cè)切眼以外551~626 m和684~864 m段設(shè)計平行鉆孔19個，孔徑94 mm，各鉆孔終孔間距15 m，目標(biāo)方位角均為179°。4206回風(fēng)巷北側(cè)幫鉆場設(shè)計開孔扇形、終孔平行穿層鉆孔，共5組47個鉆孔，孔徑105 mm，同一鉆場相鄰鉆孔開孔間距0.5 m，各鉆孔終孔間距15~30 m。共計87個下鄰近層5號煤層瓦斯抽采鉆孔。

2.3 工作面裂隙帶瓦斯抽采設(shè)計

為了防范采空區(qū)裂隙帶內(nèi)瓦斯積聚，設(shè)計在4206工作面回風(fēng)巷內(nèi)向覆巖上方裂隙帶內(nèi)布置抽采鉆孔。第一種鉆孔布置在4206回風(fēng)巷一橫貫處西側(cè)幫、4206回風(fēng)巷一橫貫往里515 m處北側(cè)幫及4206回風(fēng)巷一橫貫往里1 010 m處北側(cè)幫鉆場內(nèi)，共沿工作面傾向方向布置3組大孔徑裂隙帶定向長鉆孔，布孔形式為“開孔扇形、終孔平行”和“開孔后先穿層至目標(biāo)采高層位、后按照目標(biāo)方位角和設(shè)計采高層位定向施工至設(shè)計孔深”的鉆進(jìn)工藝，每組布置3個鉆孔，共布置9個裂隙帶定向長鉆孔，鉆孔終孔直徑為203 mm。每組內(nèi)相鄰鉆孔開孔間距為1 m，終孔間距10 m。鉆孔終孔端控制在頂板以上8~10倍采高位置。

第二種鉆孔布置在4206回風(fēng)巷距四橫貫10~31 m段處北側(cè)幫，沿走向布置4組扇形采空區(qū)和裂隙帶抽采鉆孔，每組鉆孔組間距為6 m，孔徑均為153 mm，孔深在79~100 m，開孔傾角在12°~41°，各鉆孔終孔間距均為3 m，終孔端控制在頂板以上3~15倍采高位置。鉆孔布置如圖2所示。

圖2 工作面瓦斯抽采鉆孔布置Fig.2 Layout of gas drainage borehole in working face

3 工作面瓦斯抽采效果

5207軌道巷及4207配巷中的瓦斯抽采工作已經(jīng)在2 a前完成，這里僅分析工作面開采期間正在實施抽采的機(jī)軌合一巷和回風(fēng)巷中的鉆孔抽采。

3.1 工作面初采階段瓦斯效果

4206工作面機(jī)頭推進(jìn)18 m、機(jī)尾推進(jìn)12 m后支架后部頂板全部垮落，證明工作面初采期結(jié)束。工作面初采期間工作面風(fēng)量實際風(fēng)量1 302 m3/min（設(shè)計風(fēng)量1 065 m3/min），機(jī)軌合一巷風(fēng)量現(xiàn)場風(fēng)量364 m3/min（設(shè)計風(fēng)量470 m3/min），工作面瓦斯?jié)舛葹?.34%左右，回風(fēng)瓦斯?jié)舛葹?.42%左右，風(fēng)排瓦斯量7.44 m3/min。瓦斯抽采純量12.73 m3/min，其中4206機(jī)軌合一巷抽采純量2.30 m3/min，4206回風(fēng)巷抽采純量10.43 m3/min絕對瓦斯涌出量20.17 m3/min，瓦斯抽采率達(dá)到63%。

3.2 工作面正常回采階段瓦斯抽采效果

以2022年3月抽采數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。工作面月推進(jìn)255 m，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量1 120 m3/min，4206機(jī)軌合一巷三橫貫以里740 m3/min。平均風(fēng)排瓦斯量11.23 m3/min，瓦斯抽放總量25.93 m3/min，絕對瓦斯涌出量37.16 m3/min，瓦斯抽采率達(dá)69.90%，瓦斯抽采效果良好。

圖3為工作面各測點瓦斯?jié)舛茸兓€，由圖3可知，進(jìn)風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍?.06%~0.08%，最大瓦斯?jié)舛?.08%；機(jī)軌合一巷瓦斯?jié)舛?.18%~0.24%；工作面瓦斯?jié)舛仍?.24%~0.4%，割煤期間工作面甲烷濃度平均增加0.16%；回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍?.40%~0.49%，割煤期間回風(fēng)甲烷濃度平均增加0.38%。

圖3 工作面瓦斯?jié)舛茸兓€Fig.3 Variation curve of gas concentration in working face

圖4為工作面瓦斯抽采曲線，由圖4可知，機(jī)軌合一巷瓦斯采量在2.62~3.02 m3/min。回風(fēng)巷瓦斯抽采量在21.21~28.52 m3/min。機(jī)軌合一巷瓦斯抽采量小，僅為回風(fēng)巷瓦斯抽采量的12.39%，這主要是機(jī)軌合一巷內(nèi)布置的抽采鉆孔少，僅作為輔助本煤層瓦斯抽采。工作面開采期間，瓦斯抽采量比較平穩(wěn)，幾個峰值位置均為工作面來壓期間，抽采量增大。

圖4 工作面瓦斯?jié)舛茸兓€Fig.4 Variation curve of gas concentration in working face

4 結(jié) 論

（1）3+4號煤與5號煤層間距平均僅為5 m，屬于近距離煤層，且兩煤層均具有突出危險，當(dāng)開采3+4號煤層時必須同時考慮5號煤瓦斯對3+4號煤層工作面瓦斯涌出濃度的影響，需要綜合考慮兩層煤瓦斯治理及消突措施。

（2）根據(jù)4206工作面及其下部5號煤的煤巖條件及瓦斯賦存規(guī)律，設(shè)計了工作面本煤層順層抽采+裂隙帶滯后抽采+下鄰近層抽采的瓦斯聯(lián)合抽采技術(shù)方案，實施了采前預(yù)抽、采中抽放的全方位瓦斯抽放技術(shù)。

（3）現(xiàn)場對工作面回采期間風(fēng)量、瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結(jié)果表明，風(fēng)量均滿足設(shè)計要求，機(jī)軌合一巷、工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛染∮?.5%，瓦斯抽采率在63%~69.9%，有力保證了工作面安全高效開采，為近距離突出煤層瓦斯治理提供了借鑒。