綜采工作面瓦斯綜合治理技術優化及應用

杜 明

（晉能控股集團有限公司應急指揮中心，山西 大同 037001）

1 8309 工作面概述

塔山煤礦三盤區8309 工作面位于井田西翼，工作面為南北走向布置，東部為5310 巷（已掘進到位），西部為井田邊界，南部為西翼膠帶大巷，北部為西翼運輸巷[1-2]。

8309 工作面回風順槽長度為950 m，運輸順槽長度為964 m，切巷長度為185 m，順槽及切巷沿4 號煤層底板布置。工作面回采的4 號煤層總厚度為3.58 m，有效厚度為3.27 m，煤層內含砂質泥巖夾矸2 層，煤層頂底板巖性如表1 所示。

表1 山4 號煤層頂底板巖性表

8307 工作面瓦斯絕對涌出量14.66 m3/min，相對涌出量5.36 m3/t。工作面采用U 型通風系統，工作面設計供風風量為1 787 m3/min。工作面回采至150 m處時，工作面內上隅角、機道以及總回風流中瓦斯濃度出現異常，實測上隅角平均瓦斯濃度（體積分數，下同）為1.2%，回風流平均瓦斯濃度為1.5%，總回風流中平均瓦斯濃度為2.1%，對工作面回采影響大[3]。

2 工作面通風系統優化

由于傳統U 型通風時上隅角出現窩風現象，且采空區漏風量大，在負壓作用下漏風風流將采空區瓦斯帶入上隅角處，這是造成上隅角瓦斯超限重要原因之一，所以對8307 工作面通風系統進行優化，決定采用“U+L”型通風系統。

2.1 通風系統的形成

1）5310 巷與5309 巷預留保安煤柱寬度為25 m，首先在兩巷之間每隔50 m 施工一個通風橫貫，橫貫垂直兩巷布置，橫貫寬度為3.0 m，高度為3.5 m，橫貫頂板及巷幫與5309 巷支護方式相同。

2）通風橫貫施工完后，對所有橫貫安裝風流調節裝置，再安裝1 套直徑為216 mm 的瓦斯抽采支管，在5310 巷內安裝1 趟直徑為800 mm 的瓦斯抽采主管，每節管道長度為6 m，采用無縫鋼管結構，兩端焊制法蘭盤，相鄰管道之間采用螺栓對接安裝，主管道與三盤區西翼1 號臨時瓦斯抽采泵站連接[4]。

3）回采前調整原工作面風流方向及風量，2309巷作為主進風巷，5309 巷作為輔助進風巷，5310 巷作為主回風巷，形成“U+L”型通過系統，如圖1 所示。調整2309 巷進風風量為1 400 m3/min，輔助進風巷進風風量為500 m3/min。

圖1 8309 工作面“U+L”型通風系統平面示意圖

4）工作面回采前打開第一個通風橫貫調節，使工作面回采時回風風流沿通風橫貫進入5310 巷內，當第一個通風橫貫進入采空區后，對5309 巷進行沿空留巷。當工作面回采至第2 個通風橫貫時，及時拆除第1 個密閉內抽采管路并進行密閉，同時打開第2 個橫貫抽采管路閥門。

2.2 沿空留巷支護

為了確保沿空巷圍巖穩定性以及對采空區矸石、有害氣體起到有效隔絕作用，對8309 工作面沿空巷采取柔模墻擋矸支護及邁步式錨索棚加強支護。

2.2.1 柔模澆筑支護

傳統沿空留巷主要通過安裝擋矸裝置、金屬網、風筒布等阻隔采空區矸石及有害氣體，但是支護成本費用高、隔絕效果差、施工難度大，所以決定對沿空巷支設柔性模板，并通過混凝土澆筑形成柔模墻進行支護[5]。

1）柔性模板為三維紡織結構，模板外部為纖維布結構，采用加強筋固定，內部采用拉筋支撐；封閉空間采用高性能混凝土充填，每塊柔性模板充填后尺寸為長×寬×高=3.0 m×1.5 m×3.5 m。

2）在每塊柔性模板上布置2 排錨桿固定孔，每排3 個，孔距為1.0 m，第一排錨桿固定孔與頂板間距為1.0 m，第二排錨桿固定孔與底板間距為0.5 m。

3）工作面每推進3.0 m 進行一次柔模澆筑，工作面回采后首先對上隅角后方采空區頂板支設2 排單體柱進行臨時支護。然后在留巷段位于采空區一側支設模板。

4）模板支設完成后，向柔模內澆筑混凝土，當澆筑高度達0.5 m 時在模板下排固定孔安裝3 根長度為1.6 m、直徑為22 mm 的螺紋鋼錨桿，該錨桿兩側采用螺紋結構，在錨桿兩端頭安裝長度為0.45 m、寬度為0.25 m 的“W”型鋼帶。當混凝土澆筑高度達2.5 m時安裝第2 排錨桿，如圖2 所示。

圖2 8309 工作面沿空巷支護示意圖（未標單位：mm）

5）模板澆筑高度達3.0 m 時，為了保證柔模能夠充分與頂板接觸嚴實，采用注、停間隔時間的方法進行接頂施工，每注入0.5 m3混凝土停1～2 min 進行透水，以保證柔模接頂包注滿，依次類推直至模板頂部接頂包完全充填嚴實。

2.2.2 邁步式錨索棚支護

1）為了防止采空區頂板垮落時導致沿空巷頂板出現垮落現象，在采空區一側頂板上布置2 排邁步式錨索吊棚，吊棚沿沿空巷走向布置，布置間距為1.0 m，排距為1.5 m。

2）錨索吊棚中工字鋼梁長度為3.0 m，錨索長度為8.3 m，直徑為21.8 mm，錨索共計2 根；第1 排錨索棚與柔模墻水平距離為0.3 m，第2 排錨索棚與柔模墻水平距離為1.8 m，兩排錨索棚采用邁步式布置，邁距為1.5 m。

3 工作面及采空區瓦斯抽采技術

3.1 順層瓦斯抽采

1）順層瓦斯抽采鉆孔布置在5309 巷煤壁側巷幫上，鉆孔垂深為50 m，孔徑為93 mm，鉆孔水平間距為5.0 m，鉆孔布置在工作面頂板往下1.5 m 處。

2）每2 個順層瓦斯鉆孔為1 組，對其安裝抽采花管，與橫貫內支管連接進行瓦斯抽采，第1 個抽采孔布置在工作面前方20 m 處，當工作面回采至與第1 個孔間距為3.0 m 時，及時對第1 組孔進行封堵，并對第2 組孔安裝管路進行抽采。

3.2 中位鉆孔瓦斯抽采

1）中位鉆孔鉆場布置在通風橫貫內，每隔2 個橫貫布置1 個鉆場，鉆場內布置7 個中位鉆孔（編號1—7 號），鉆孔施工在橫貫頂板上。

2）中位鉆孔采用扇形布置，鉆孔深度為60 m，孔徑為93 mm，鉆孔以10°仰角布置，鉆孔終孔位置位于回采煤層頂板往上7.0～8.0 m 范圍內，鉆孔內安裝1 根直徑為75 mm 的抽采花管，外端通過法蘭、閥門與橫貫內支管連接。

3.3 高位裂隙鉆孔瓦斯抽采

1）在5309 巷工作面側煤壁上每隔80 m 布置1個梯形狀高位鉆場，鉆場外口長度為5.0 m，內口長度為2.0 m，垂深為3.0 m，高度為3.0 m，沿煤層頂板布置。鉆場內頂板采用錨桿（索）支護，幫部采用單錨桿支護，鉆場內支設2 排木柱加強支護。

2）在鉆場內位于采空區側巷幫上布置高位裂隙瓦斯抽采鉆孔，共計布置1 排孔，每排4 個（編號為1 號、2 號、3 號、4 號），鉆孔深度為100 m，直徑為93 mm，所有鉆孔向采空區方向布置。其中，1 號鉆孔仰角為10°，向工作面煤柱側偏5°；2 號鉆孔仰角為15°，向煤柱側偏角為15°；3 號鉆孔仰角為20°，水平偏角為25°；4 號鉆孔仰角為25°，水平偏角為35°，如圖3 所示。

圖3 8309 工作面綜合瓦斯抽采施工平面示意圖

3）鉆孔布置好后，在鉆孔內安裝瓦斯抽采花管，并與橫貫內支管連接，當工作面回采距鉆場10 m 時，鉆場停止瓦斯抽采，并對所有鉆孔進行封堵。

3.4 采空區埋管瓦斯抽采

1）沿空留巷在支設柔模墻時，每支設10 塊模板，安裝3 趟直徑為150 mm 的采空區瓦斯抽采管，3 趟管延伸采空區內長度不低于5.0 m。

2）將3 趟管路與橫貫內支管連接，當沿空留巷長度達5.0 m 時開始對采空區進行瓦斯預抽；當沿空留巷長度達30 m 后，安裝第2 組采空區抽采管路繼續進行瓦斯抽采。

4 實際應用效果分析

截至2021 年2 月14 日，8309 工作面已回采結束，通過對工作面通風系統優化以及采取綜合瓦斯抽采技術后，取得了以下顯著應用效果：

1）工作面采用“U+L”型通風系統后解決了U 型通風工作面回采時上隅角瓦斯積聚、風流不暢等問題，后期回采時現場實測留巷口處最高瓦斯濃度為0.2%；同時減小了采空區漏風量以及通風風阻，漏風率不足3%。

2）利用沿空巷為回風巷，使工作面頭尾順槽兼作進風巷，解決了U 型通風時回風順槽瓦斯濃度高、機電設備安裝隱患高等技術難題，保證了工作面通風安全。同時沿空留巷通過柔模澆筑技術阻斷了負壓通道，避免了采空區內有害氣體在負壓作用下向沿空巷內涌出，通過對沿空巷內瓦斯濃度監測發現，沿空巷內平均瓦斯濃度在0.6%以下。

3）通過對工作面回采煤層、頂板裂隙以及采空區分別采取瓦斯抽采技術后，大大降低了工作面回采時瓦斯涌出量，回采時現場測定落煤點最高瓦斯濃度為0.8%，架后5.0 m 范圍內瓦斯最高濃度為1.3%。

5 結語

塔山煤礦三盤區8309 工作面通風系統經優化后，解決了傳統通風系統風阻大、采空區漏風量大、上隅角瓦斯濃度高等技術難題；利用中高位裂隙鉆孔、順層鉆孔及采空區埋管等技術手段全方位對工作面進行瓦斯抽采，杜絕了回采期間瓦斯事故發生，對工作面安全高效回采提供了有力保障，同時為其他高瓦斯礦井工作面上隅角瓦斯治理、煤層瓦斯抽采等提供了實踐依據。