云蓋山煤礦一礦綜放工作面瓦斯綜合治理技術研究

榮向東 劉三鈞

（禹州棗園煤業有限公司，河南省禹州市，452570）

1 礦井及工作面概況

云蓋山煤礦一礦于1994年開工建設，1997年試生產，主采二1煤層，現核定生產能力63萬t／a。礦井采用中央分列抽出式通風，主、副斜井進風，回風立井回風。地質構造變化明顯，斷層較多，煤層厚度多變，是典型的雞窩煤。礦井為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯賦存極不穩定，局部多次出現動力現象。

21110綜采工作面位于礦井-23m 水平西翼，工作面走向長1440 m，平均煤厚4.3 m，屬二軟一硬煤層。該工作面采取走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，U 型通風方式。

21110工作面存在3個較大的地質構造帶，地質情況復雜，煤厚變化大。工作面瓦斯含量10m3／t左右，煤層硬度系數0.3左右，煤層軟成粉末狀，鉆孔成孔率低，透氣性差，瓦斯抽放衰減系數大，瓦斯抽放困難。在回風巷掘進期間因為瓦斯涌出量大，瓦斯含量經常超限，出現瓦斯治不住的難題。為此云蓋山煤礦一礦研究了以本煤層順層鉆孔瓦斯抽放為主、上隅角瓦斯抽放為輔的瓦斯綜合治理技術。

2 瓦斯抽放技術研究

2.1 順層鉆孔抽放技術

在21110工作面上下巷道沿煤層傾向相向施工平行鉆孔，鉆孔直徑84mm，鉆孔間距3m 左右，距底板1.2m，長度100m，上下鉆孔壓茬20m，平行鉆孔設計如圖1所示。在地質變化帶根據實際情況調整鉆孔參數，局部地帶施工加密鉆孔。鉆孔施工完成后，采用水泥砂漿立即封孔，封孔長度15m，封孔結束8h后進行聯網抽放。部分地區因為運輸關系，不能整個巷道施工順層平行鉆孔，為了消除抽放空白帶，利用鉆場施工扇形鉆孔進行瓦斯抽放。鉆場間距40 m，每個鉆場施工12 個鉆孔，扇形鉆孔設計如圖2所示。鉆孔傾角可以根據鉆孔實際見煤情況進行調整，鉆孔盡量布置在煤層內。兩個鉆場最外緣的鉆孔交叉點距離巷幫不超過20m （考慮煤層巷道瓦斯自然排放寬度為20m），避免存在抽放空白帶。平行鉆孔加扇形鉆孔是工作面區域瓦斯治理最基本的措施，覆蓋整個工作面。

圖1 平行鉆孔設計示意圖

圖2 扇形鉆孔設計示意圖

2.2 卸壓區淺孔抽放技術

在工作面前方依次存在卸壓區、應力集中區、原始應力區，鉆孔布置在卸壓區比較容易進行瓦斯抽放。根據卸壓區安全寬度理論，針對煤層透氣性系數低、煤層預抽效果差、瓦斯制約生產能力的現狀，在21110工作面進行了淺孔抽放瓦斯試驗。鉆孔沿工作面走向布置在軟分層中，孔深16m，孔徑89mm，孔間距3m。每輪瓦斯淺孔抽放措施進行后，預留10m超前距，即工作面允許推進6m。敷設工作面抽放系統與本煤層抽放系統并聯，為鉆孔涌出瓦斯提供一條專用通道，卸壓區淺孔抽放如圖3所示。

2.3 煤層注水瓦斯抽放

采取本煤層瓦斯抽放后，局部地帶的瓦斯還是偏高，影響工作面的安全生產，因此采取了煤層注水措施。云蓋山煤礦一礦針對煤層注水消突機理，一方面在上下巷瓦斯高的地帶施工順層鉆孔，孔深100m，下20m 套管，注入10MPa高壓水，直到其他地點有水流出或注不進去水為止，接著聯網繼續抽放瓦斯；另一方面在工作面施工淺孔，孔深16m，注入壓力3 MPa的水，直到相鄰鉆孔有水流出為止，接著聯網繼續抽放瓦斯。

圖3 卸壓區淺孔抽放示意圖

2.4 上隅角瓦斯抽放

在工作面采取順層鉆孔抽放瓦斯后，工作面上隅角瓦斯還是時有超限發生。在工作面上下隅角設置了風障，但效果不理想，因此采取了頂板高位鉆孔抽放瓦斯及插管抽放瓦斯雙重措施。

2.4.1 頂板高位鉆孔抽放瓦斯

頂板高位鉆孔瓦斯抽放又稱頂板裂隙帶瓦斯抽放，在回風巷向煤層頂板施工鉆孔，主要作用是以工作面回采采動壓力形成的頂板裂隙作為通道來抽放工作面上覆巖層及上隅角涌出的瓦斯，并且減小上鄰近層瓦斯涌向工作面的可能性，同時對采空區下部的瓦斯起到拉動作用，改變采空區瓦斯流向分布，從根本上解決由于采空區瓦斯大量涌出造成的工作面上隅角及回風流瓦斯超限的問題，從而保證采煤工作面安全作業，提高采面生產能力。

圖4 三區三帶劃分示意圖

在工作面回采過程中，其周圍將形成一個采動壓力場。采動壓力場及其影響范圍在垂直方向上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶；在水平方向上形成煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區，三區三帶劃分如圖4所示。

為了提高瓦斯抽放率，在考慮減少頂板巖石高位鉆場的掘進工程量的條件下，高位鉆孔應盡可能多地設計在頂板裂隙帶內和瓦斯富集區內，冒落帶、裂隙帶高度預測經驗公式如下：

式中：M——工作面采厚，m；

Hm——冒落帶高度，m；

H1——裂隙帶高度，m。

煤厚取4.5m，帶入式 （1）和式 （2）得冒落帶高度12～17m，裂隙帶高度36～47m。對工作面冒落帶高度及裂隙帶高度進行現場考察，根據抽放過程中的始抽段、高體積分數段和衰減段，結合現場打鉆的實際情況，確定鉆孔終孔距離煤層頂板30m 左右。

鉆場間距取工作面頂板周期來壓步距的整數倍，即：

式中：n——整數；

h——巖層%厚度，取平均厚度14m；

Rt——巖層的極限抗拉強度，取148 MPa；

q——巖梁所受的載荷，取107.7 MPa。

結合式 （3），取n為4的情況，可得鉆場間距為40m。

根據頂板裂隙帶高度及垮落步距的計算結果，在21110工作面東回風口向東60m 處為1號鉆場，向東每40m 施工一個鉆場。每個鉆場布置5個抽放鉆孔，抽放鉆孔要求控制巷道外幫20 m，鉆孔終孔距離煤層頂板30m，鉆孔長度超過前面鉆場40m，即40m 的壓茬，做到循環抽放，高位鉆孔平面設計如圖5所示。

2.4.2 插管抽放瓦斯

在工作面支架后部從回風巷上幫沿工作面向下設置一風障，將抽放管伸入上隅角切頂線以里2m處，管口對準高瓦斯點，抽放管并入抽放管路進行瓦斯抽放。為了提高抽放效果，在抽放管吸氣端加一擴散器，用快速接頭連接抽放管。為防止在瓦斯抽放過程中發生管路堵塞現象，用沙網把擴散器包好。盡量把瓦斯抽放管吸入口的擴散器靠近上隅角未冒落空間的頂部及上幫煤壁 （瓦斯濃度較高的地點），并在切頂線處堆積煤袋，以提高瓦斯抽放濃度并減少上隅角瓦斯積聚的空間。

圖5 高位鉆孔平面設計示意圖

2.5 瓦斯抽放技術注意事項

（1）在進行瓦斯抽放設計或施工時，要消除瓦斯抽放空白帶，并隨著施工鉆孔探明的煤巖情況，適當調整鉆孔參數。

（2）進行工作面淺孔抽放時，鉆孔一定要布置在卸壓區安全寬度范圍內。

（3）高位鉆孔盡可能多地設計在頂板裂隙帶和瓦斯富集區內，盡量抬高開孔位置。

3 瓦斯治理效果分析

21110工作面經過實施順層鉆孔抽放、卸壓區淺孔抽放、煤層注水抽放等本煤層瓦斯抽放措施以及頂板高位鉆孔抽放、插管抽放等上隅角瓦斯抽放措施后，工作面瓦斯壓力在0.2 MPa左右，瓦斯含量在5m3／t以下，回風流瓦斯濃度基本保持在0.3%以下，上隅角瓦斯濃度維持在0.2% ～0.4%，抽放措施實施后至今 未發生過瓦斯超限事故，預測值與效檢值未曾超標。通過瓦斯抽放，減輕了風排瓦斯的壓力，實現了高產高效，創造了良好的經濟效益和社會效益。

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