旬耀礦區工作面初采初放瓦斯治理措施探討

關景順，劉 揚，張 輝，李小波，劉 飛

(1.陜西旬邑青崗坪礦業有限公司，陜西 咸陽 712000；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

0 引言

回采工作面上隅角瓦斯超限問題一直是高瓦斯礦井面臨的難題，而采空區瓦斯是造成工作面回風隅角瓦斯超限的主要原因之一[14]。尤其是初采期間，工作面后方采空區頂板呈現“簡支梁”結構分布，采空區頂板不易垮落，容易造成采空區出現一定范圍懸頂的現象，當頂板發生大面積垮落時，采空區內瓦斯會在短時間內被擠壓涌向工作面，從而使上隅角瓦斯濃度超限[58]。為此，以旬耀礦區煤層厚度大的高瓦斯礦井為背景，對綜放工作面初采初放期間的瓦斯治理措施進行針對性探討，以期為周邊礦井的瓦斯治理提供一定參考。

1 工作面概況

42108綜放工作面地面標高為+1 387～+1 543 m，工作面設計標高為+985～+1 055 m，地面相對位置位于副井工業廣場西北山區內，地面為山地林區，其西部為采區3條大巷，北部為實體煤，南部為42106工作面采空區，東部為井田邊界。42108工作面傾向長度為150 m，可采走向長度為1 505 m，煤層平均厚度為12 m，煤層瓦斯含量為2.13～2.92 m3/t。回采工藝為綜采放頂煤開采，采煤方法為走向長壁式釆煤法，全部垮落法管理頂板。

42108綜放工作面直接頂為泥巖，厚度約1.0 m，黑灰色，含大量植物化石碎片。老頂為深灰、黑灰色粉砂巖和中粒砂巖，厚度約為10.5 m，具波狀層理，底部含大量植物碎片，中部夾細砂巖薄層。直接底為黑色炭質泥巖，厚度約3.13 m，含豐富的植物根化石，遇水易膨脹，易軟化，易發生底鼓變形，為軟弱巖石。老底為紫灰、紫紅等雜色泥巖，厚度約3.35 m，易風化破碎，具滑面，見水膨脹。

2 初采初放瓦斯治理措施

2.1 增大工作面進風量

依據《礦井瓦斯涌出量預測方法》[9]，預測回采時工作面絕對瓦斯涌出量為15.71 m3/min。為保證加強工作面初采初放期間的瓦斯治理，生產時工作面風量至少調整至2 000 m3/min，該風量對控制回風隅角和工作面后溜子空間瓦斯也有較好的保障作用，具體風量應根據現場的瓦斯情況進行調整。在老頂垮落后，應時刻注意回風隅角附近瓦斯濃度的變化，若有升高趨勢，則需要適當下調進風量，防止因風量過大導致漏風量加大，造成過多的采空區瓦斯溢出。

2.2 瓦斯抽采措施優化

2.2.1 頂板走向巖石鉆孔抽采

在42108回風順槽內斜向上按30°起坡施工高位鉆場，確保整個鉆場位于全砂巖中，在1#高位鉆場內施工頂板走向巖石鉆孔。以往高位鉆場施工16個頂板走向巖石鉆孔，鉆孔終孔點距4-2號煤層頂板高度范圍為15～30 m。由于初采初放期間工作面頂板不易垮落導致裂隙發育不完全，優化1#高位鉆場頂板走向巖石鉆孔的設計參數，將1#高位鉆場鉆孔抽采覆蓋范圍調整為順槽方向100 m，工作面方向75 m的區域，回風隅角區域設計5個鉆孔，鉆孔終孔點設計超過42108工作面切眼5 m，且鉆孔終孔點距煤層頂板垂直距離調整為-5～15 m，其目的是在頂板完全垮落之前，利用優化后的頂板走向巖石鉆孔通過裂隙抽采未垮落完全的采空區上部瓦斯[1012]。同時，由于該鉆場鉆孔層位較低，施工時受鉆桿下沉影響，若終孔位置能與采空區導通(終孔從頂板向下穿出)，對采空區瓦斯進行直接抽采，可改變采空區內氣體流場狀態，減少瓦斯從回風隅角處的涌出量，可有效地降低初采初放期間回風隅角瓦斯濃度。42108回風順槽1#高位鉆場頂板走向巖石鉆孔設計平面圖如圖1所示。

圖1 1#高位鉆場頂板走向巖石鉆孔設計平面圖Fig.1 Design plan of 1# high drilling site roof strike rock drilling

2.2.2 強化煤層瓦斯抽采

由于初采初放期間采空區頂板不易垮落，造成工作面與采空區形成良好的漏風通道，工作面割煤產生的瓦斯大量涌入采空區。同時，采空區遺煤產生的瓦斯在通風負壓的作用匯集到回風隅角區域造成回風隅角瓦斯濃度偏高，降低工作面煤體原煤瓦斯含量可大大降低割煤時及采空區瓦斯涌出量，對解決回風隅角瓦斯濃度偏高的問題具有較好的作用[13]。因此，在42108工作面兩順槽距離切眼約100 m處各開設1個鉆場施工本煤層鉆孔，對初采初放期間待回采煤體進行針對性強化預抽。設計在42108進風順槽距離切眼97 m處和利用42108回風順槽1#高位鉆場斜巷中施工煤層鉆場，在鉆場內施工扇形鉆孔，與頂板走向巖石鉆孔形成立體式抽采模式，加強順槽側至工作面中部，鉆場至切眼區域的瓦斯抽采效果，具體鉆孔布置如圖2所示。

圖2 42108工作面切眼附近強化抽采鉆孔設計平面圖Fig.2 Plan view of drilling design for enhanced extraction near the cut hole in 42108 working face

2.2.3 采空區埋管抽采

42108綜放工作面初采初放前必須將一趟φ300 mm的低負壓抽采管路全部安裝到位，具備抽采條件。當工作面推進5 m后，從主管路引出一路φ300 mm管路埋入采空區，該管路一直埋入采空區內并保持抽采，稱之為深埋管。當深埋管進入采空區6 m后，從低負壓主管路引出一路φ300 mm管路，該管路埋入采空區，開啟抽采。當該管路進入采空區6 m后，在巷道內從該管路上引出一路φ300 mm管路，開始埋入采空區，采空區內埋管實現12 m與6 m的交替循環，并且始終保持2路管路同時抽采，管路埋入采空區的距離可根據實際效果進行調整。所有埋管管路末端都要豎立“T”型立管(豎管高度距離巷道頂板0.5 m以內)，并用鋼絲網護住管口。采空區埋管示意圖如圖3所示。

圖3 采空區埋管抽采示意Fig.3 Schematic diagram of buried pipe extraction in goaf

2.3 采煤方面

初采初放期間進風順槽和回風順槽砌筑封堵墻封堵漏風，砌墻時一定要做到上接頂、下接底、一側緊貼煤壁，每隔10 m施工一組封堵墻，進風順槽封堵墻主要作用是減少工作面向采空區的漏風，回風順槽封堵墻主要作用是減少采空區向回風隅角漏風。臨時垛墻需要時刻保持完整狀態，每班用袋裝珍珠巖粉壘砌，每堵墻橫向至少由2～3層編織袋壘砌，保證嚴密不漏風。同時，嚴格落實進風和回風隅角退錨措施，以確保采空區頂板及時垮落。

3 瓦斯治理效果分析

2020年12月初42108工作面開始試生產，統計了工作面生產40 d的回風瓦斯濃度、風排量、抽采量和涌出量等相關數據，如圖4、5所示。

圖4 42108工作面回風瓦斯濃度變化曲線Fig.4 Variation curve of gas concentration in return air of 42108 working face

圖5 42108工作面風排量、抽采量和涌出量變化曲線Fig.5 Variation curve of air displacement，extraction volume and gushing volume of 42108 working face

由圖4和圖5可以看出，42108工作面實際最大絕對涌出量為15.18 m3/min，與預測值相差不大；回風瓦斯濃度在回采初期最大，隨著瓦斯抽采量的增大，回風瓦斯濃度逐漸穩定在0.2%～0.25%之間；瓦斯抽采量和瓦斯涌出量均隨著采空區遺煤增多而逐漸增大；風排瓦斯量變化較穩定，最大值為4.78 m3/min，滿足《陜西省煤礦瓦斯防治十條規定》中回采工作面風排瓦斯量不得超過5 m3/min的要求。

4 結論

(1)針對回采工作面初采初放期間頂板不易垮落的特點，優化了首個高位鉆場頂板走向巖石鉆孔的設計參數，確保了初采初放期間具有較好的瓦斯抽采效果。

(2)立足旬耀礦區煤層厚度大的現狀，采取強化瓦斯抽采措施，利用中位煤層鉆場瓦斯抽采鉆孔與高位鉆場頂板走向巖石鉆孔形成立體式抽采模式，降低了回采工作面割煤期間的瓦斯涌出量。

(3)通過對初采初放期間回風瓦斯濃度和風排瓦斯量的統計分析，發現風排瓦斯量的最大值為4.78 m3/min，滿足《陜西省煤礦瓦斯防治十條規定》的要求，證明了初采初放期間采取的瓦斯治理措施的可行性，為周邊礦井瓦斯治理提供了一定的參考。