裕興煤礦綜采工作面綜合抽采瓦斯技術應用

孫慧卿

（晉能控股煤業集團安全督查大隊，山西 大同 037000）

1 工程概況

裕興煤業有限公司隸屬晉能控股煤業集團，礦井設計生產能力為0.9 Mt/a，主采15#煤層，屬于高瓦斯礦井。15203 綜采工作面位于該礦井二采區北翼，開采煤層平均厚度為4.4 m，煤層賦存較為穩定，工作面設計傾斜長240 m，走向長750 m，回采工藝為綜合機械化采煤工藝。在15203 綜采工作面回采前，通過分源預測法預測工作面回采期間瓦斯相對涌出量和絕對瓦斯涌出量分別為7.50 m3/t 和10.28 m3/min。因此，為降低工作面煤層瓦斯含量，減小回采期間瓦斯涌出量，在工作面開采前及回采期間需采取針對性瓦斯綜合治理措施對工作面瓦斯進行治理[1-3]。

2 工作面瓦斯綜合治理技術措施

2.1 工作面瓦斯治理措施選擇

結合15203 工作面煤層瓦斯地質條件及現場實際情況，工作面開采前，采取在工作面進風巷和回風巷施工順層鉆孔抽采工作面煤層瓦斯，使工作面煤層瓦斯含量減少至4.2 m3/t 時才有可能保證工作面回采過程中瓦斯涌出量低于5 m3/min；工作面在回采期間，還需采取施工頂板高位穿層鉆孔對工作面采空區瓦斯進行抽采和在工作面回風隅角埋管對回風隅角瓦斯進行抽放等措施來治理工作面瓦斯，確保工作面安全回采。

2.2 順層鉆孔預抽工作面煤層瓦斯

在工作面開采前，采用ZYL-6000 型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機分別在工作面進風順槽和回風順槽施工順層抽采鉆孔，設計鉆孔直徑為80 mm，孔深140 m，自工作面開切眼位置向外5 m 位置開始施工，鉆孔開孔位置距巷道底板1.5 m，垂直煤壁施工，鉆孔水平間距為5 m，封孔長度不低于8 m。15203 工作面進風、回風順層鉆孔布置方式如圖1 所示。

2.3 工作面頂板高位鉆孔瓦斯抽采

結合相關高位抽放巷抽采瓦斯經驗及現有鉆機鉆進能力，在工作面回采過程中，根據工作面實際情況，設計施工頂板高位鉆孔對工作面采空區瓦斯進行抽采。

（1）鉆場設計

結合工作面巷道實際布置情況，設計將鉆場布置在工作面回風巷，鉆場間距為50 m，鉆場開口時沿巷道底板垂直煤壁以30°的坡度向上施工斜巷，斜巷斷面為高×寬=2 m×3 m，當掘進進入煤層頂板2 m 后沿著煤層頂板水平方向施工平巷，平巷斷面為高×寬=3 m×5 m，平巷長度為6 m，作為高位鉆孔施工的鉆場，鉆場具體布置如圖2（a）所示。

圖2 頂板高位鉆場和鉆孔布置

（2）高位鉆孔設計

在每個鉆場內設計布置4 個高位抽采鉆孔，具體鉆孔設計施工參數如表1 所示，鉆孔布置方式如圖2（b）所示。

表1 高位抽采鉆孔設計施工參數

（3）鉆孔封孔工藝

在高位抽采鉆孔施工完成后，采用 “兩堵一注”封孔工藝對高位鉆孔進行封孔[4-6]，即分別采用聚氨酯和囊袋等封孔材料在距離鉆孔孔口1 m 和18 m 位置分別對鉆孔進行封堵，封堵完成后使用膨脹水泥和水按照水灰比為1∶0.7 的比例配置水泥漿液向封孔段進行注漿，注漿作業時注漿泵壓力設置為2 MPa，封孔長度為12 m。鉆孔封孔方式如圖3 所示。

圖3 15203 工作面高位抽采鉆孔封孔

2.4 回風隅角埋管抽放

由于工作面采用上行通風方式，回風隅角容易積聚瓦斯。

為防止工作面回風隅角瓦斯超限，在工作面回風巷內靠近巷幫位置安裝一趟φ250 mm 鍍鋅鋼管抽采回風隅角瓦斯，每間隔30 m 在管路上設置一個三通閥門，在每個閥門上部安裝一根長度為1.5 m 的立管，在距回風隅角最近的一個三通閥門處將一根φ108 mm 的鋼絲軟管與回風巷抽采管路進行連接，鋼絲軟管長30 m，在其末端安裝瓦斯抽采器埋入回風隅角采空區內。同時為提高回風隅角瓦斯抽采效果，使用編織袋裝煤矸石或膠囊充氣袋對回風隅角進行密閉封堵。回風隅角埋管抽采方式如圖4 所示。

圖4 回風隅角瓦斯抽放管路布置

3 應用效果分析

3.1 順層鉆孔預抽煤層瓦斯效果分析

順層鉆孔抽采瓦斯期間，采用在線監測和人工現場計量的方式對工作面進風巷和回風巷順層鉆孔抽采瓦斯的濃度和純量進行監測計量，根據監測計量結果繪制曲線如圖5 所示。

圖5 順層鉆孔抽采瓦斯濃度和純量與時間關系變化曲線

分析圖5 可知，15203 工作面進風、回風巷在執行順層鉆孔預抽煤層瓦斯階段，進風巷順層鉆孔抽采的瓦斯濃度范圍為2.3%～17.3%，抽采瓦斯純量為0.005～5.96 m3/min； 回風巷順層鉆孔抽采的瓦斯濃度范圍為6.5%～45.4%，抽采的瓦斯純量為0.004～7.95 m3/min。根據以上監測數據分析可知，雖然抽采的瓦斯濃度和純量值都不是很高，但由于在工作面開采前就開始抽采作業，抽采時間達到6 個月以上，抽采時間較長，因此該措施對治理工作面煤層瓦斯仍有較好效果。在工作面回采前，對工作面煤層殘余瓦斯含量進行再次測定得出已降低至3.5 m3/t 以下，達到了預期效果。

3.2 高位鉆孔及埋管抽放瓦斯治理效果分析

15203 工作面回采期間回風巷及回風隅角瓦斯濃度變化情況如圖6 所示。

圖6 15203 工作面回采期間回風隅角及回風巷瓦斯濃度變化曲線

分析圖6 可知，15203 工作面回采過程中通過采取高位頂板鉆孔抽采和回風隅角埋管抽采瓦斯措施后，在工作面回采過程中，回風隅角瓦斯濃度控制在0.32%～0.48%之間，回風流中瓦斯濃度控制在0.18%～0.35%之間，回風隅角及回風流中的瓦斯濃度均低于規程規定的瓦斯報警警戒值1.0%，由此可知15203 工作面回采過程中，頂板高位鉆孔和回風隅角埋管抽放瓦斯技術措施對工作面瓦斯治理起到了良好效果，回采期間未發生過瓦斯超限事故，工作面實現了安全高效生產。

4 結語

結合裕興煤礦15203 工作面煤層瓦斯地質情況，提出工作面回采前采用順層鉆孔預抽煤層瓦斯和工作面回采期間采用頂板高位鉆孔及回風隅角埋管抽采采空區和回風隅角瓦斯相結合的綜合瓦斯治理措施，并根據工作面現場實際情況，對順層鉆孔和頂板高位鉆孔具體施工技術參數進行了設計，通過對工作面順層鉆孔抽采瓦斯純量和濃度及回風隅角和回風流中瓦斯濃度變化情況進行分析可知，工作面回采過程中回風隅角及回風流中最大瓦斯濃度分別為0.48%和0.35%，工作面回采過程中未發生過瓦斯超限事故，實現了安全高效生產。