黃巖匯煤礦15118綜采工作面綜合瓦斯抽采技術研究與實踐

郝寶舉

中煤昔陽能源有限責任公司 山西昔陽 045300

黃巖匯煤礦為煤與瓦斯突出礦井，主采15#煤層，根據礦井瓦斯涌出量預測報告，受采動影響瓦斯涌出量主要來自上覆鄰近層，占工作面瓦斯涌出總量的60%以上。根據礦井以往經驗均采用以高抽巷抽采為主的抽采方式治理綜采工作面瓦斯，由于15118工作面埋深淺，工作面走向回采距離短，故在15118工作面試驗取消高抽巷抽采，利用高位孔、走向低位鉆孔綜合抽采的方式。

根據黃巖匯煤礦已采工作面瓦斯抽采實踐經驗，15118工作面采用傾向高位瓦斯抽采鉆孔抽采鄰近層煤層瓦斯、回采區域順層鉆孔抽采本煤層瓦斯、走向鄰近層低位鉆孔、采空區瓦斯抽采鉆孔和上隅角穿透鉆孔治理上隅角瓦斯滿足生產安全需要。

1 工程概況

黃巖匯煤礦15118綜采工作面位于一采區北部，東部是15100回采工作面采空區(留設40m煤柱)，西部靠近15102軌道順槽，北部是巴州村、巴州河保安煤柱，南部為西輔助回風大巷以及三條大巷。15118工作面走向設計長度430m，工作面傾斜長200m，15118工作面設計可采長度360m，工作面采用后退式走向長壁綜合機械化一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。

15118工作面煤層平均厚度為5.0m，賦存穩定。煤層南北走向，向東南傾斜，向北呈向斜構造，傾角2°～10°，平均6°，煤層厚度4.9m～5.2m，距頂板0.3m有一層0.2m左右的泥巖夾矸，不穩定。該工作面斷層和陷落柱較為發育。開切眼處有陷落柱CX100-1(長軸70m，短軸50m)，工作面中部有斷層DF38(270°～290°∠72°H=3～5m)斷層，構造對回采有一定的影響。15118工作面煤層埋藏深度為195～235m，平均埋藏深度215m。

15118工作面老頂為細到中粒砂巖，厚度8m，硬度系數為6～8；直接頂為砂質泥巖，厚度6m，硬度系數為3～4，無偽頂。

15118工作面直接底為粉砂質泥巖，厚度8m，硬度系數3～4，老底為K1砂巖，厚度30m，局部破碎不整合，滲透性較強。

2 瓦斯概況

15118工作面屬無突出危險區，工作面采用U型通風，工作面總配風量為1980m3/min，15#煤層自燃等級為Ⅲ級，屬不易自燃煤層，煤塵無爆炸危險性。根據礦井瓦斯地質圖報告顯示以及鄰近工作面實測原始瓦斯含量，預測15118工作面本煤層平均原始瓦斯含量為2.87～4.21m3/t，煤層不可解吸量1.95m3/t，可解吸瓦斯含量0.92～2.26m3/t，15118工作面與15102工作面相鄰，15118綜采工作面正常生產期間風排瓦斯量為4.52～6.21m3/min。

15118工作面上覆鄰近層有9#煤層：位于15#煤層上部約62m處，厚度約1.0m。11#煤層：位于15#煤層上部約46m處，厚度約0.50m。12#煤層：位于15#煤層上部約43m處，厚度約0.70m。13#煤層：位于15#煤層上部約33m處，厚度約0.67m。工作面回采期間上覆鄰近層及K3、K4灰巖內富含大量瓦斯，對工作面回采產生影響，一般工作面回采期間鄰近層瓦斯涌出量可達12m3/min，約占工作面瓦斯涌出量60%以上。(圖1所示)

3 瓦斯抽采

3.1 高位鉆孔抽采

3.1.1 高位鉆孔布置

高位鉆孔由與15118軌順相鄰的西輔助回風巷向15118軌順頂板施工，鉆孔間距5m，孔徑94mm，高位孔終孔位于15118軌順回風巷頂板上方35～40m的裂隙帶，主要抽采15#煤上鄰近層采動影響涌出瓦斯。

為確保15118工作面安全回采，防止上覆鄰近層瓦斯涌出，設計在西輔助回風巷施工高低瓦斯抽采鉆孔進行鄰近層瓦斯抽采，在15118工作面停采線以里每隔10m施工1個高位鉆孔進行抽采，孔徑94mm(94mm鉆頭開鉆，153mm鉆頭擴孔8m)，平均孔深68m，鉆孔傾角+27°～+39°，終孔位置距15#煤層頂板垂直距離40m，距15118軌順巷道頂板垂直距離20m，瓦斯抽采鉆孔向工作面方向偏5°，鉆孔終孔間距10m；每隔10m施工1個低位鉆孔進行抽采，孔徑94mm(94mm鉆頭開鉆，153mm鉆頭擴孔5m)，平均孔深55m，鉆孔傾角+24°～+36°，終孔位置距15#煤層頂板垂直距離35m，距15118軌順巷道頂板垂直距離15m，瓦斯抽采鉆孔向工作面方向偏5°，鉆孔終孔間距10m；高低位瓦斯抽采鉆孔開孔間距5m，交替布置。15118工作面共施工走向高低位瓦斯抽采鉆孔76個，工程量約4674m。高低位瓦斯抽采鉆孔采用Φ108mm鋼管封孔8m。并與西輔助回風巷Φ377mm瓦斯抽采管連接建立瓦斯抽采系統。

3.1.2 高位孔抽采效果分析

15118工作面回采初期高位鉆孔的抽采負壓較高，一般維持在28KPa，瓦斯抽采混合量為22m3/min，流量較低，隨著工作面回采推進約18m開始，采空區直接頂板逐步垮落，老頂裂隙大量發育，高位鉆孔與頂板裂隙帶導通，高位鉆孔的抽采負壓下降，抽采負壓約20KPa，瓦斯抽采混合量開始上升，抽采混合量最高可達58m3/min，流量持續增加。抽采負壓下降后保持在一個比較穩定的水平，平均為18KPa，此時抽采混合流量保持在較高水平，超過50m3/min，持續一個月后混合流量開始下降并穩定在40～50m3/min，生產期間平均瓦斯抽采濃度可達22.18%，瓦斯抽采純量約10.65m3/min。15118高位鉆孔的抽采持續到工作面回采結束，抽采效果明顯，成為15118工作面治理鄰近層瓦斯主要手段，有效治理了上覆鄰近層向工作面涌出瓦斯。

圖2 15118工作面高位孔抽采情況

3.2 走向低位鉆孔抽采

3.2.1 走向低位鉆孔布置

為防止15118軌順回風端頭初采期間頂板來壓，出現瓦斯超限，設計在15118工作面煤壁三角區采用每組3個走向頂板鉆孔抽采，保證三角區和端頭支架立柱后瓦斯不超限。3個走向鉆孔每組間距20m，平均孔深34m，壓茬10m，覆蓋工作面內部5～15m，水平夾角11°～27°，鉆孔傾角+16°～+23°，終孔位置在巷道頂板上8～12m位置，設計走向低位瓦斯抽采鉆孔距切眼40m范圍施工2組，施工瓦斯抽采鉆孔6個，進尺約204m。以外走向低位瓦斯抽采鉆孔利用原探放水鉆場，每隔80m設計一組瓦斯抽采鉆孔，每組6個瓦斯抽采孔，第一排瓦斯抽采鉆孔3個，平均孔深52m，終孔位置在巷道頂板上8～12米位置，覆蓋工作面內部5～15m，水平夾角+6°～+15°，鉆孔傾角+11°～+16°。第二排瓦斯抽采鉆孔3個，平均孔深101m，終孔位置在巷道頂板上8～12米位置，覆蓋工作面內部5～15m，水平夾角+4°～+8°，鉆孔傾角+6°～+8°。走向低位瓦斯抽采鉆孔距切眼40m范圍以外每組壓茬20m，施工瓦斯抽采鉆孔約24個，進尺約1836m。

走向鉆孔拆、掛：當工作面煤壁距鉆孔3～5米時，將接抽的鉆孔拆除，接到后一組預備孔上繼續抽采。

瓦斯抽采鉆孔施工選用杭鉆SGZ-ⅢA型鉆機，配合Φ59mm的鉆桿和Φ75～Φ113mm的PDC鉆頭。走向頂板抽采孔瓦斯抽采管路與軌順本煤層瓦斯抽采管路共用一趟。

走向低位鉆孔抽采工作面上隅角冒落帶瓦斯，防止上隅角瓦斯超限。在15118軌順從距切眼30m左幫布置第一個鉆場，沿工作面推進方向每隔40m在巷道左幫施工一個鉆場。每個鉆場施工3～6個走向低位鉆孔，孔徑113mm，平均孔深62m，終孔位于15#煤層頂板上方15～25m，每組鉆孔水平投影覆蓋前方60m范圍，覆蓋工作面上隅角15m范圍，從第二組起每組走向低位鉆孔與上一組水平壓茬20m，便于抽采接替。

3.2.2 走向低位鉆孔抽采效果分析

15118軌順走向低位鉆孔開始抽采負壓較高，一般維持在28KPa，瓦斯抽采混合量為15m3/min，流量較低，隨著工作面回采推進約12m開始，采空區直接頂板逐步垮落，工作面冒落帶開始形成，低位鉆孔的抽采負壓下降，抽采負壓約21KPa，瓦斯抽采混合量開始上升，抽采混合量為30m3/min，流量持續增加，正常工作面回采期間走向低位瓦斯抽采瓦斯一般濃度為1.95%～6.57%，瓦斯抽采純量0.8m3/min，通過走向低位瓦斯抽采鉆孔抽采，可有效改變上隅角瓦斯流場，牽制采空區瓦斯向上隅角積聚，保證了回采期間上隅角瓦斯不超限。

圖3 15118工作面走向低位鉆孔抽采情況

3.3 穿透孔抽采

為確保15118綜采工作面回采期間，上隅角瓦斯不超限，設計穿透孔由西輔助回風巷開孔垂直巷幫向15118軌順巷幫施工，鉆孔貫穿西輔助回風巷與15118軌順。穿透鉆孔設計鉆孔間距為5m，孔徑113mm，終孔位置為15118軌順巷幫距頂板0.3m處，便于上隅角采后抽采，每個穿透孔施工完成后要進行擴孔5m，孔徑為153mm，并在西輔助回風巷利用φ108mm無縫鋼管聚氨酯封孔不少于5m。孔口前期采用DN100mm堵板封堵，隨著工作面推進進度，15118軌順的穿透孔進入上隅角采空區時，逐步打開穿透鉆孔進行連孔抽采，在隨采過程當中始終要保持3～5個穿透鉆孔連續抽采，確保穿透鉆孔有效牽制上隅角瓦斯向工作面涌出。

利用穿透鉆孔主要抽采上隅角采空區卸壓瓦斯，15118綜采工作面在正常生產期間穿透鉆孔瓦斯抽采平均濃度為1.25%，平均抽采流量13.90m3/min，瓦斯抽采純量0.16m3/min。穿透鉆孔抽采使采空區形成一個負壓場，有效地改變了上隅角流場，防止了采空區瓦斯向上隅角涌出，確保了回采期間上隅角瓦斯不超限，工作面安全回采。

3.4 抽采效果比較

由以下統計圖表可知高位孔抽采瓦斯量占工作面瓦斯涌出總量的60%以上，抽采瓦斯濃度和流量較高，抽采效果顯著，屬主要瓦斯治理手段。高位孔有效抽采在工作面瓦斯治理中起決定性作用，有效解決了上覆鄰近層瓦斯向工作面涌出；工作面風排瓦斯量占工作面瓦斯涌出總量的20%，主要為本煤層采動后落煤期間產生的瓦斯涌出量；走向低位鉆孔及西輔助回風巷向15118軌順施工穿透鉆孔，主要用于改變上隅角瓦斯流場，采后抽采架后采空區瓦斯，約工作面瓦斯涌出總量的15%。

結語

通過15118綜采工作面瓦斯抽采方法實踐與應用，證明了15118綜采工作面采用上述瓦斯抽采方式有效治理工作面瓦斯，確保了工作面安全回采。并得出高位鉆孔的抽采持續到工作面回采結束，抽采效果明顯，有效治理了上覆鄰近層向工作面涌出瓦斯。走向低位孔抽采上隅角三角區域冒落帶瓦斯，對上隅角瓦斯治理有主要作用。穿透鉆孔抽采有效地牽制了采空區瓦斯涌向上隅角，確保上隅角瓦斯不超限。

實踐證明開采埋深較淺(240米以淺)，原始瓦斯含量較低(低于5m3/t)的區域時，綜合采用高位孔、走向低位孔及穿透孔三種瓦斯抽采方法，在工作面無高抽巷抽采時，也有效治理工作面上覆鄰近層及采空區瓦斯，而且高位孔與高抽巷相比，工程量小，成本低，安全隱患少，并且有很好的抽采效果。綜合高位孔抽采及其他抽采方法可在相鄰工作面和瓦斯地質條件類似的采區推廣運用。