鳳凰山礦15＃煤層U型通風工作面高位鉆場鉆孔瓦斯抽放技術研究

周春山 王俊峰 遲克勇 鄔劍明 武旭峰

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024；2.山西煤炭職業技術學院，山西省太原市，030031；3.山西晉城藍焰煤業股份有限公司鳳凰山礦，山西省晉城市，048007）

鳳凰山礦于1970年投產至今，3＃煤層已回采結束，9＃煤層儲量接近枯竭，目前主采15＃煤層，生產能力400萬t／a，屬瓦斯礦井。由于15＃煤層地質條件相對復雜，巷道掘進速度慢，為最小程度地減少工作面巷道的掘進量，保證礦井生產的正常銜接，鳳凰山礦在15＃煤層三水平南翼盤區首采面151304工作面采用一進一回的U型通風系統。通過對151304工作面長1080 m回風巷的瓦斯基礎參數的現場測試，測得煤層瓦斯含量2.36 m3／t，屬氮氣—甲烷帶。該工作面于2012年5月3日開始回采，開采初期上隅角、工作面及回風巷瓦斯濃度變化情況如圖1所示。在工作面強制放頂和老頂來壓時，各地點瓦斯均出現超限現象，需結合工作面開采實際情況，采取針對性瓦斯治理措施，保證礦井的安全生產。

圖1 151304工作面開采初期瓦斯涌出變化曲線圖

1 151304工作面概況

151304工作面為鳳凰山礦15＃煤層三水平南翼盤區首采工作面，煤層平均厚2.07 m，屬較穩定可采煤層，煤層傾角平均為3.5°，工作面老頂、直接頂為 K2石灰巖，厚8.99～9.22 m，平均厚度9.11 m，無偽頂。上覆9＃煤層為92304工作面（2002年回采完畢）、92306工作面（2007年回采完畢）、91324綜采面（已回采）及151304切眼往外272 m 9＃煤層實體煤，9＃煤層與15＃煤層平均層間距為29.42 m。151304工作面存在2條6.0～7.0 m落差的逆斷層，采用傾斜長壁一次采全高自然垮落后退式綜合機械化采煤方法，一進一回的U型通風系統。

2 151304工作面瓦斯超限來源分析

根據151304工作面煤層賦存條件，由于其頂板為極堅硬的K2石灰巖不易冒落，在頂板冒落前與上覆煤巖層裂隙不發育，瓦斯涌出量基本保持不變，但當工作面采取強制放頂后，直接頂垮落，應力急劇變化，造成上覆9＃煤層中卸壓瓦斯大量瞬時涌入回采工作面，導致工作面各地點瓦斯濃度急劇增加。

151304工作面回風巷瓦斯濃度在頂板冒落前為0.30%，而冒落后瓦斯濃度急劇上升至1.10%，此時工作面配風量約850 m3／min，該工作面冒落前風排瓦斯量約2.55 m3／min，冒落后風排瓦斯量約9.35 m3／min。增加的瓦斯涌出量主要來源于上鄰近層9＃煤層的瓦斯涌出，可見上鄰近層9＃煤層瓦斯涌出是造成151304工作面瓦斯超限的主要來源。

3 高位鉆孔抽放瓦斯技術在151304工作面的應用

由于151304工作面上覆9＃煤層靠近斷層附近，屬高瓦斯富集區，原始瓦斯含量約12 m3／t，且煤層松軟，本煤層瓦斯抽放困難，有272 m的實體煤未采動。隨著15＃煤層的開采，改變了15＃煤層和上覆9＃煤層巖層的原始透氣性和封閉狀態，9＃煤層瓦斯會瞬時大量涌向15＃煤層工作面，因此，設計在采空區頂板裂隙區布置高位鉆場鉆孔組，直接對9＃煤層卸壓瓦斯進行抽采和攔截，并改變15＃煤層采空區瓦斯流動狀態，減弱采空區瓦斯涌出強度，從根本上解決瓦斯超限難題。

3.1 高位鉆場施工

從151304回風巷距離開切眼120 m向煤柱側施工長10 m、寬2.5 m和高2 m的下平巷，再平行于回風巷向工作面仰角30°爬坡施工長19.5 m、寬2.5 m和高2 m的斜巷，然后施工寬2.5 m、深5 m和高2.5 m的絞車硐，再垂直回風巷側施工寬5 m、深4 m和高2 m的高位鉆場，采用錨網聯合支護。高位鉆場布置見圖2。

圖2 高位鉆場布置示意圖

3.2 高位鉆場鉆孔布置參數

利用經驗計算法，鳳凰山礦151304工作面上覆堅硬巖層 “三帶”中冒落帶高度為7.65～12.67 m，裂隙帶高度為37.26～55.06 m。根據采空區頂板巖層移動 “三帶”理論和采空區內瓦斯運移規律，有效鉆孔高度應位于冒落帶頂端和裂隙帶的中下部，其高度應距15＃煤層頂板12.67～37.26 m。因此設計在高位鉆場呈扇形布置頂板高位鉆孔24個，開孔高度距9＃煤層頂板12.50 m。具體設計參數見表1，151304工作面頂板高位鉆孔布置見圖3。

圖3 151304工作面頂板高位鉆孔布置圖

表1 151304工作面頂板高位鉆場鉆孔參數

3.3 抽放管路布置

高位鉆場鉆孔施工完畢采用 “合成樹脂＋膨脹封孔劑”及時封孔后進行聯孔，與抽放主管路相連，并在鉆孔開口處施工永久密閉。抽放主管路采用直徑為355 mm PE管，沿151304工作面回風巷左幫布置，保證管路吊掛平直，離地高度約500 mm，管路中安設U型壓差計、孔板流量計和高負壓管道取樣器，并在管路低洼處留有放水三通。

3.4 瓦斯抽放效果分析

根據工作面回采速度、老頂來壓周期、采空區垮落情況（包括垮落的長度、寬度、高度）觀測工作面瓦斯涌出隨回采進度變化情況，見圖4。由圖4可知，采空區頂板垮落為9＃煤層瓦斯涌入151304工作面提供良好的通道，隨著工作面的不斷推進，頂板裂隙帶逐漸發育，瓦斯涌出量逐漸增大，工作面各點瓦斯濃度也逐漸上升。當工作面推進至27.4 m后，隨著采空區頂板大面積垮落，鉆孔瓦斯抽放量、抽放濃度驟增，并隨著瓦斯抽放和風流稀釋作用，瓦斯濃度逐漸降低，并在下一次頂板垮落后再次增加。

現場測定數據表明，在采取頂板高位鉆場鉆孔抽放后，各孔抽放濃度達到40%～48%，抽放流量為0.7～1.7m3／min，上隅角、回風巷、工作面和采空區瓦斯最大濃度分別為0.43%、0.35%、0.28%和1.40%，抽放效果比較明顯，有效減少了瓦斯超限事故的發生，說明鉆孔設計比較合理，達到了預期的效果。

圖4 工作面瓦斯涌出隨回采進度變化趨勢圖

4 結論

（1）鳳凰山礦151304工作面上覆9＃煤層的瓦斯涌出是工作面瓦斯涌出的主要來源。

（2）高位鉆場鉆孔組具有布置鉆孔多、抽放瓦斯濃度高，可有效抽采和攔截9＃煤層卸壓瓦斯向15＃煤層采空區的涌入，并有效改變15＃煤層采空區瓦斯流態，從根本上解決了上鄰近層瓦斯大量瞬時涌入造成工作面瓦斯超限的難題。

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