西曲礦綜采工作面瓦斯治理技術研究

楊嘉帥

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 太原 030200）

西曲礦井田地質構造簡單，煤層賦存相對穩定，全區可采煤層厚度為13.65m，可采煤層為2#、4#、8#、9#煤層等，設計生產能力為3.4Mt/a，屬于低瓦斯礦井。根據分源法瓦斯含量測定結果可知，西曲礦開采初期瓦斯較少，隨著開采深度和開采強度的不斷增加，礦井瓦斯涌出量相對增加，尤其是開采下山南二盤區時煤層相對瓦斯涌出量可達15m3/t，即該區域已經達到高瓦斯礦井標準。生產實踐也表明，南二盤區8#煤層綜采工作面在回采過程中頻繁出現瓦斯高值，尤其是工作面采空區上方頂板垮落時經常會造成上隅角和回風流瓦斯超限，給工作面安全生產帶來嚴重威脅。現以18202 工作面為研究對象，進行南二盤區綜采工作面瓦斯治理研究，以期為西曲礦深部開采瓦斯治理提供指導。

1 工作面概況

18202 工作面位于礦井南二盤區中部，南部為18203 工作面采空區，北部為18201 工作面，東部為盤區運輸大巷，上部為12203 工作面和12204 工作面采空區。工作面所采煤層為太原組8#煤層，煤層傾角為4.5°~6°，平均為5°，煤層厚度為3.8~4.4m，平均為4m。煤層地質構造簡單，局部有小型褶曲，屬于相對穩定可采厚煤層工作面。工作面頂部有一層均厚0.2m 的泥巖偽頂，直接頂為均厚4.4m 的石灰巖，基本頂為均厚2.2m 的細粒砂巖，直接底為均厚2.7m 的細粒砂巖。18202 工作面設計可采走向長度為980m，傾斜長度為159m，工作面采用后退式傾斜長壁機械化開采，煤層爆炸指數為19.11%，自燃傾向等級為Ⅱ級。根據南二盤區瓦斯參數測定結果可知，18202 工作面煤層孔隙率為3.56%~3.62%，透氣性系數為0.107~0.118m2/（MPa2?d），煤層原始瓦斯壓力為0.22MPa，瓦斯含量為13.6m3/t。

2 瓦斯治理方式的確定

為了掌握18202 工作面瓦斯來源，在18202 工作面回風巷向頂板上方施工鉆孔，對鉆孔進行窺視。窺視結果顯示18202 工作面頂板上方存在大量的細微裂隙，這些細微裂隙部分可通達上部煤層采空區，并在鉆孔口檢測到瓦斯。據此認為，18202 工作面瓦斯來源主要有本煤層瓦斯和臨近層采空區瓦斯。當工作面臨近層采空區瓦斯進入18202 工作面采空區時會造成瓦斯集聚，上下隅角管理不當，瓦斯被漏風帶入工作面回風流，引起瓦斯高值或超限，給工作面的安全生產帶來嚴重的威脅。對18202 工作面不同來源瓦斯量進行估算，本煤層瓦斯和臨近煤層工作面采空區瓦斯分別占涌出總量的41.6%和58.4%。考慮到18202 工作面煤層透氣性系數為0.107~0.118m2/（MPa2?d），根據國家安全生產行業標準《煤礦瓦斯抽放規范》（AQ1027-2006），該煤層瓦斯抽放難易程度屬于可以抽放型。鑒于此，確定18202 工作面瓦斯治理方案為本煤層抽放和高位鉆孔裂隙抽放相結合進行瓦斯治理。

3 瓦斯治理實踐

3.1 本煤層瓦斯抽放

18202 工作面煤層傾角為4.5°~6°，平均為5°，鉆孔沿煤層傾角方向布置，鉆孔傾角為5°。為了提高本煤層抽放效率，確定“眼多、孔深”的施工原則，從工作面風巷切眼向外20m 處開始布置孔深142m、孔間距3m、孔徑Φ113mm 的瓦斯抽放鉆孔，當出現斷鉆或者塌孔等異常現象時，在其周圍1m 范圍內進行補打鉆孔。本煤層抽放共施工鉆孔326 個，鉆孔總進尺46292m，所有鉆孔掛牌管理。

圖1 18202 工作面順層瓦斯抽放鉆孔布置示意圖

3.2 高位鉆孔裂隙瓦斯抽放

錢鳴高院士在研究單一工作面回采后上方頂板垮落規律時提出頂板O-X 破斷結構，研究指出，因巷道煤柱的支撐作用，臨近巷道側會出現重復性不垮落的弧形頂板巖體。頂板O-X 破斷結構中弧形頂板巖體，因呈弧形三角狀，可稱為弧形三角板，弧形三角板巖體結構完整，上方覆巖穩定，具體見圖2 所示。為了掌握18202 工作面采空區弧形三角板影響范圍，采用在支架間隙向上打鉆窺視方式確定，最終確定弧形三角板傾向方向影響長度為20m 左右，故該區域上方不能形成有效裂隙帶，結合現場實際，最終確定在弧形三角板影響區域下方30m 范圍內布置頂板裂隙瓦斯抽放鉆孔，由鉆孔窺視結果和理論計算，確定18202 工作面采空區上方頂板裂隙高度約為60m。裂隙瓦斯抽放鉆孔布置具體是：在18202 工作面回風巷下幫每隔35m 布置一個鉆場，鉆場尺寸（高×深×長）為4×4×3m，在鉆場內沿施工鉆孔間距為0.8m、孔徑Φ113mm、孔深80m 的3 個鉆孔，鉆孔方位角為48°。高位裂隙瓦斯抽放鉆孔共施工84 個，鉆孔總進尺6720m，所有鉆孔掛牌管理。高位裂隙瓦斯抽放鉆孔布置具體見圖3 所示。

圖2 工作面頂板O-X 破斷結構

圖3 18202 工作面高位裂隙瓦斯抽放鉆孔布置

3.3 鉆孔封孔工藝和抽放系統的完善

考慮煤層開采過程中頂板對煤體的破壞影響，為了提高瓦斯抽放效果，確定本煤層封孔深度為8m，高位裂隙抽放鉆孔封孔深度為4m。首先在距離封孔管兩端頭0.2m 處各做一個堵頭，然后用廢舊布條將封孔管纏繞，在廢舊布條表面澆瑪麗散混合液后迅速將封孔管送入鉆孔，然后再利用注漿泵向封孔管里注射瑪麗散，當漿液流出時停止注漿，即完成了封孔。

選2BEC-42 型移動抽放泵2 臺，一用一備，該型抽放泵最大抽氣量為150m3/min，極限真空度為160kPa，裝機功率為200kW，布置在南二瓦斯抽放泵站。本煤層瓦斯抽放和高位裂隙瓦斯抽放管路為：18202 回風巷→南二集中運煤巷→南二瓦斯抽放泵站→南二運煤斜坡→南翼總回風巷→南坪山回風井底。瓦斯抽放管路采用主管路和干支管路組成，主管路均采用Φ315mm 的聚乙烯管，支管路采用Φ315mm 的聚乙烯管和Φ200mm 的聚乙烯管。

3.4 瓦斯治理效果分析

本煤層瓦斯采用預先抽采，抽采時間為工作面正式回采前6 個月，共連接本煤層瓦斯抽放鉆孔304 個，累計抽放4281h，累計抽放純瓦斯量556870m3。抽出的瓦斯濃度隨著抽放時間的持續逐漸降低，抽放期間瓦斯濃度為16.2%~33.4%，平均為24.8%，抽放純瓦斯量為0.64~3.84m3/min，平均為2.15m3/min。18202 工作面開始回采后，回風巷高位裂隙瓦斯抽放鉆孔開始聯管。當工作面推過鉆孔2~16m 時開始抽放，抽放濃度為17%~26%，抽放純瓦斯量為0.8~1.0m3/min；當工作面推過鉆孔25~70m 時，鉆孔瓦斯抽放濃度在10%~12%，抽放純瓦斯量為0.8~2.9m3/min；當工作面推過鉆孔70m后，瓦斯抽放效果持續減弱，瓦斯抽放濃度為8%左右，抽放純瓦斯量為0.4~0.8m3/min。回采期間，上隅角瓦斯為0.25%~0.64%，回風流中瓦斯濃度為0.17%~0.26%，未出現瓦斯高值和瓦斯超限現象，說明通過本煤層瓦斯抽放和高位裂隙瓦斯抽放聯合治理瓦斯效果較好，能夠有效解決18202 工作面瓦斯問題。回采期間，2018 年9 月份18202 工作面上隅角和回風流瓦斯濃度見圖4 和圖5 所示。

4 結 語

綜采工作面瓦斯治理是確保工作面安全高效回采的關鍵，通過對西曲礦18202 工作面實施本煤層瓦斯抽采和高位裂隙瓦斯抽采有效解決了該工作面瓦斯問題，避免了上隅角瓦斯集聚和回風流瓦斯超限現象，給該工作面的安全生產提供了保障，同時也為西曲礦南二盤區高瓦斯工作面的瓦斯治理工作積累了豐富的經驗。

圖4 18202 工作面上隅角瓦斯變化曲線

圖5 18202 工作面回風流瓦斯變化曲線