常村煤礦S5-11工作面瓦斯綜合治理技術應用

李 莊

(潞安集團 常村煤礦，山西 長治 046102)

1 工程概況

潞安環能股份公司常村煤礦目前正在進行井田范圍內3#煤層的采掘活動，2018年礦井的相對瓦斯涌出量為12.36 m3/t，絕對瓦斯涌出量為78.69 m3/min，鑒定礦井為高瓦斯礦井。該礦S5-11工作面位于山西組中下部，煤層厚度為1.2～4.56 m，平均厚度為2.98 m，煤層結構較簡單，煤層傾角一般為2°～5°，平均為3°. 3#煤層透氣性系數為0.058 9～0.080 6 m2(MPa2·d)，煤層透氣性較差，屬于難抽煤層。S5-11工作面所在采區原煤最大瓦斯含量為11.36 m3/t，透氣性系數0.074 1 m2(MPa2·d)，煤層具有煤塵爆炸的危險，不易自燃。

S5-11工作面西鄰采區輔運大巷，南邊為已經回采的S5-09工作面，東邊及西邊均未布置工作面，共布置3條回采巷道，S5-11輔助進風巷、S5-11進風巷、S5-11回風巷，通風方式為Y型通風，3條巷道均沿3#煤層頂板掘進，工作面巷道布置見圖1. 為了提高工作面采出率，設計將S5-11輔助進風巷和S5-11回風巷保留分別作為S5-13工作面輔助進風巷和回風巷使用。常村煤礦常用的通風方式為U型通風，由于3#煤層質密、裂隙發育較差，導致抽采困難，經常發生上隅角、回風巷瓦斯超標的問題，為了解決此類問題，在S5-11工作面首次采用Y形通風及沿空留巷，通過實踐經驗及實驗研究等方法，采取合理的采空區瓦斯治理措施及工作面瓦斯抽采鉆孔布置參數。

圖1 S5-11工作面巷道布置圖

2 瓦斯綜合治理技術

參照目前回采的S5-09工作面瓦斯情況，在S5-11工作面采取順層鉆孔預抽本層瓦斯，采用沿空留巷兩進一回的Y型通風方式，在輔助進風巷和進風巷施工順層鉆孔，在S5-11輔助進風巷采用高水材料進行巷旁充填保留，形成Y型通風。在S5-11回風巷(瓦排尾巷)每隔適當距離布置一組頂板傾向鉆孔，每組包括一個低位孔和一個高位孔，對上臨近層的瓦斯進行抽采。采空區瓦斯通過在巷旁充填體內埋管進行抽采。

2.1 采前順層鉆孔參數的確定

參照正在回采的S5-09工作面瓦斯預抽順層鉆孔的布置參數，設計S5-11工作面順層瓦斯抽采鉆孔直徑為120 mm，鉆孔的封孔深度對于瓦斯抽放的純量具有很大的影響[1]，因此在S5-11工作面通過鉆屑法確定合理的封孔長度。測試的地點為S5-11工作面回風巷距離開切眼890～910 m，鉆孔d42 mm，鉆孔深度為18 m，間距為3.0 m，測試鉆孔與巷道頂板距離為2.5 m，與底板距離為1.3 m，一共布置10個鉆孔，準確地記錄每個鉆孔每鉆進1 m所排出的碎屑量，整理后得到結果，見圖2.

圖2 每米鉆屑量沿鉆孔方向的變化曲線圖

鉆屑量的變化趨勢與地應力的變化基本一致，隨鉆孔深度變化鉆屑量和地應力的變化規律為：在0～12 m，每米鉆屑量增加的較為平緩，該范圍屬于卸壓帶；在12～18 m，鉆屑量先是急劇增加然后減小，并且當鉆孔深度為16 m左右時，鉆屑量達到最大，該區域為應力集中區，最大應力值在16 m左右取得。合理的封孔深度應超過煤體內卸壓帶的范圍，并且要小于集中應力峰值點的深度，綜上可以確定，合理的封孔深度在12～16 m. 為了確定合理順層預抽鉆孔的間距，采用fluent模擬不同鉆孔間距條件下瓦斯鉆孔影響半徑及瓦斯滲流的規律[2]，鉆孔周圍瓦斯壓力的分布規律見圖3.

圖3 不同鉆孔間距下鉆孔周圍瓦斯壓力分布規律圖

由圖3可知，隨著順層瓦斯抽采鉆孔之間距離的增大，鉆孔之間的煤層瓦斯壓力逐漸增大，并且煤層的滲透率逐漸減小，當鉆孔間距離為2 m時，瓦斯壓力大于0.74 MPa，超過了抽采的要求，因此S5-11工作面順層鉆孔之間距離為1 m. S5-11工作面順層瓦斯抽采鉆孔布置見圖4，在S5-11輔助進風巷和進風巷每間隔1 m沿煤層方向施工一個鉆孔，鉆孔直徑為120 mm，S5-11工作面共施工2 688個鉆孔，其中輔助進風巷和進風巷分別施工1 344個鉆孔，鉆孔深度為130 m，兩側鉆孔相互交叉，長度重疊10 m.

2.2 高位鉆孔參數的確定

高位鉆孔抽采瓦斯對于采空區瓦斯的治理具有較好的效果，在S5-11輔助進風巷頂板向采空區裂隙帶鉆進的瓦斯排放孔為高位鉆孔，采空區瓦斯通過頂板跨落后巖塊之間的裂隙作為通道進行排放[3-4]. 高位鉆孔的主要施工參數包括：鉆孔直徑、長度、仰角及在水平方向上的投影與回風巷之間的夾角。根據S5-11工作面上覆巖層的性質及頂板的冒落情況，為了保證抽采瓦斯的濃度，考慮到煤層厚度為2.98 m，鉆孔仰角設計為30°，長度設計為40 m，終孔位置距煤層頂板法線為8～12倍的采高，鉆孔的直徑為190 mm，水平方向上的投影與回風巷之間夾角為45°. 高位裂隙鉆孔進行采空區瓦斯的抽放另一個關鍵的參數是鉆孔間距。適當的鉆孔間距應當能夠在前一個抽放鉆孔由于采動破壞導致其失去抽放的能力后，下一個鉆孔能夠抽出較高濃度的瓦斯，這樣就能夠將采空區的瓦斯一直維持在較低的水平，這就要求每一個鉆孔終孔位置都處于上一個鉆孔的有效長度之上。根據S5-11綜放工作面實驗考察情況，高位鉆孔在巷道方向上的有效抽放距離為15 m左右，因此每隔15 m布置一個高位鉆孔。在S5-11回風巷布置的高位鉆孔具體參數見圖5. 鉆孔的深度在45 m左右，傾角在28°～42°，采用ZDY-4000L全液壓鉆機進行施工，鉆頭為d193 mm的合金鉆頭，配套d73 mm的外平鉆桿使用。封孔采用d140 mm全孔PE套管注入水泥漿液進行封孔，封孔深度應大于5 m，每組鉆孔包括一個低位和一個高位鉆孔。

圖4 順層瓦斯預抽鉆孔布置示意圖

圖5 采空區高位瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

2.3 采空區埋管參數的確定

采空區埋管瓦斯抽放是解決上隅角瓦斯超限的一種很有效的方法，在我國高瓦斯工作面得到廣泛應用，一般情況下抽采的瓦斯純量為2.0～3.0 m3/min，濃度一般不大于5%. 決定其抽采效果的主要參數為：抽放高度、抽放深度和埋放間距，結合常村煤礦S5-11工作面現場實際條件，取距煤層底板1.8 m，距沿空留巷充填體0.5 m，工作面后方0.5 m的位置作為上隅角瓦斯濃度觀測點，通過數值模擬分析不同埋管參數條件下上隅角瓦斯濃度的變化，不同抽放高度條件下的模擬結果見表1.

表1 不同抽放高度條件下模擬結果表

由表1可知，隨著采空區瓦斯埋管抽放高度的增加，抽出的瓦斯濃度在逐漸增大，并且上隅角的瓦斯濃度逐漸減小，所以抽放高度越高所取得的效果越好，由于煤層高度僅為2.98 m，考慮到施工等多方面的因素，將瓦斯管的高度設定為2.5 m. 抽放深度及埋管間距通過同樣的方法確定為15 m. S5-11工作面采空區埋管瓦斯抽放設計參數見圖6，由于每垛充填體的長度為3 m，在巷旁充填體內每間隔15 m(5垛巷旁充填體)埋放一個預留長度為2.5 m，d190 mm的抽放管，埋放位置距離巷道底板為2.5 m，埋放管貫穿巷旁充填體深入到采空區內，在伸入采空區的端頭處焊接濾網，通過截止閥、三通和連接管接入留巷內d560 mm的抽采管道上。

3 瓦斯綜合治理效果

對常村煤礦S5-11工作面回采期間瓦斯綜合治理效果進行監測，整理后得到結果見表2.

表2 瓦斯綜合治理抽放效果表

圖6 采空區埋管布置示意圖

根據現場實測結果可知，S5-11工作面絕對瓦斯涌出量為53.55 m3/min，其中采煤工作面絕對瓦斯涌出量為9.69 m3/min，采空區為43.86 m3/min. 瓦斯抽放系統共抽放瓦斯39.55 m3/min，其中工作面順層瓦斯預抽鉆孔抽放量為4.3 m3/min，高位采空區瓦斯抽排鉆孔31.6 m3/min，巷旁充填體埋管抽放量為3.65 m3/min，瓦斯的抽放率為73.85%. S5-11綜采面回采時工作面總配風量約為2 800 m3/min，經現場監測瓦斯濃度控制在0.5%以下，成功解決了在工作面回采期間上隅角及回風巷內瓦斯濃度超限的問題，取得了明顯的瓦斯治理效果，保障了工作面的正常生產。

4 結 論

通過數值模擬及理論分析對S5-11工作面采用Y型通風時瓦斯綜合治理的參數進行研究，主要研究結論：順層鉆孔合理的布置間距為1 m，封孔深度為12～16 m. 高位鉆孔的合理深度為40 m，布置間距為15 m. 采空區埋管在巷旁充填體上合理的位置為距離底板2.5 m，沿采空區抽放深度15 m，埋放間距為15 m. 現場應用及觀測結果表明取得了很好的瓦斯治理效果，工作面回采期間沒有發生過一次瓦斯超限。