胡底煤業1301（上）工作面瓦斯綜合治理技術研究及應用

劉 偉

（山西晉煤集團沁水胡底煤業有限公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

山西晉煤集團胡底煤業1301（上）工作面長度為150m，工作面主采3#煤層，煤層均厚5.67m，平均含有一層夾矸，屬全區穩定可采煤層。煤層頂板為黑色泥巖或粉砂質泥巖，底板為灰黑色泥巖或粉砂質泥巖。1301（上）工作面開采3#煤層上部，采高為2.85m。工作面采用“一進一回”U型通風系統，回采期間配風量為2000m3/min左右。根據礦井3#煤層瓦斯基礎參數測試可知，3#煤層原始瓦斯壓力 1.24～3.83MPa，原始瓦斯含量 23.23～25.8m3/t，孔隙率為5.99%～7.18%，透氣性系數λ為9.01～21.30m2/（MPa2·d）。基于此可知在回采作業前需進行瓦斯抽采作業，保障工作面的安全回采。

2 瓦斯抽采技術

2.1 瓦斯來源及抽采可行性

根據1301（上）工作面的瓦斯涌出量預測結果，回采過程中的瓦斯占44.86%，掘進工作面瓦斯占21.82%。由此可以看出，礦井瓦斯涌出構成中，回采工作面瓦斯涌出量比重較大。在回采工作面瓦斯涌出中，本煤層瓦斯涌出占98.47%，鄰近層瓦斯涌出占1.53%。本煤層瓦斯涌出量較大，應加強本煤層瓦斯涌出治理。基于此可知1301工作面的瓦斯涌出量主要來自于本煤層。

礦井3號煤層的百米煤孔初始瓦斯流量為 0.1376～0.1892m3/(min·hm)，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.0053d-1～0.0089d-1，透氣性系數為2.1847～3.9158m2/(MPa2·d)。基于此數據可知 3 號煤層的瓦斯屬于可以抽采類型，綜合分析認為，1301工作面瓦斯抽采完全可行。

2.2 瓦斯抽采設計

根據1301（上）工作面的具體地質條件及瓦斯含量，確定1301（上）工作面采用千米鉆機遞進式抽采+底抽巷穿層抽采+順層鉆孔抽采+采空區頂板長鉆孔抽采相結合的瓦斯綜合治理模式。在1301（上）工作面掘進形成時，進行千米鉆機遞進式抽采作業，同時布置底抽巷進行瓦斯預抽作業，隨后在1301（上）工作面回采前及回采中，采用高位順層鉆孔的方式進行本煤層的瓦斯抽采作業，同時采用頂板長鉆孔的方式進行采空區瓦斯的抽采作業，以此保障1301（上）工作面回采時瓦斯涌出量在安全范圍內。

（1）千米鉆機遞進式抽采

在1301（上）工作面掘進期間，為有效降低待掘區域的瓦斯含量，采用千米鉆機施工定向鉆孔。千米鉆機鉆孔采用鉆場扇形施工[1-2]，每個鉆場布置鉆孔12個，鉆孔覆蓋范圍一般為400×220m范圍，每個鉆孔設計3個分支，布置在3號煤層上、下兩個分層中。主孔設計深度為450m，終孔間距10m，單孔施工進尺一般在1200m左右，鉆場工程量為15000m左右，鉆孔施工直徑為96mm，鉆孔控制下一個工作面順槽外30m。具體千米鉆機順層鉆孔的鉆孔布置方式如圖1所示。

圖1 千米鉆機遞進式抽采鉆孔布置示意圖

（2）底抽巷穿層抽采

1301工作面回采前，在煤層下方布置底抽巖巷，并在底抽巖巷內施工上行穿層鉆孔，與千米區域遞進式相結合強化抽采，通過布置在巖層中的順槽向上施工穿層鉆孔進行預抽。在底板巖巷里鉆場的間距為40m，鉆場鉆孔一般為3～6排，每排鉆孔數為5～8個鉆孔，鉆孔終孔間距一般為5m左右，鉆孔施工完畢必須全部穿透煤層。具體底板巷穿層鉆孔的布置形式如圖2所示。

圖2 底板巷穿層鉆孔布置方式示意圖

（3）順層鉆孔抽采

在1301（上）工作面回采期間，為保障瓦斯不出現超限現象，在工作面采用千米鉆機順層鉆孔大面積預抽后，在工作面回采前同時采用普通鉆機布置對打鉆孔進行本煤層強化預抽。設計高位鉆孔長度為100m，鉆孔直徑94mm，鉆孔間距4m。抽采鉆孔采用兩堵一注囊袋式進行封孔，設置封孔深度8m。具體高位順層鉆孔布置方式如圖3所示。

圖3 工作面順層抽采鉆孔布置形式示意圖

（4）采空區頂板長鉆孔抽采

根據1301（上）工作面的布置方式，為對1301（上）工作面采空區的瓦斯進行有效的抽采作業，在3#煤層工作面的回風巷施工迎向工作面推進方向的頂板長鉆孔。鉆孔終孔位置位于上方裂隙帶內，抽放采空區及鄰近層的瓦斯。頂板長鉆孔在工作面回采前施工完成。厚煤層分層開采時裂隙帶的高度計算公式如表1所示[3-5]。

表1 厚煤層分層開采時裂隙帶高度計算公式

表1中，上覆巖層按堅硬巖層考慮時，裂隙帶高度55.6～73.4m；上覆巖層按中硬巖層考慮時，裂隙帶高度39.2～50.4m；上覆巖層按軟弱巖層考慮時，裂隙帶高度21.1～29.1m；上覆巖層按極軟弱巖層考慮時，裂隙帶高12.6～18.6m。根據1301（上）工作面的頂板巖層分布，工作面上覆巖層巖性處于軟弱～中硬之間，以軟弱為主，參照鄰近礦井采用鄰近層抽采時裂隙帶的高度。綜合以上分析確定裂隙帶高度為25～35m。

根據工作面裂隙帶的發育高度，設置頂板長鉆孔直徑為94mm，鉆場間距40m，每個鉆場布置5個鉆孔。鉆孔終孔位置距工作面頂板距離約25～35m，距離工作面側幫約20～30m左右，鉆孔傾角15～20°，鉆孔長度約80～130m，以實際終孔位置位于上方裂隙帶內為準。具體采空區頂板長鉆孔布置方式及鉆孔的布置各項參數如圖4所示。

圖4 采空區頂板長鉆孔布置方式示意圖

3 抽采效果

為有效對1301（上）工作面的瓦斯抽采效果進行分析，在1301（上）工作面進行順層鉆孔瓦斯抽采作業時，對順層鉆孔的瓦斯抽采量進行有效的監測，并隨機抽取對不同抽采日期下不同鉆孔的瓦斯抽采濃度進行監測，具體對1-1#、2-3#和3-5#抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度進行具體分析。具體三個鉆孔的瓦斯抽采濃度曲線如圖5所示。

圖5 順層鉆孔瓦斯抽采濃度曲線圖

通過具體分析圖5能夠得出，1301（上）工作面順層鉆孔的瓦斯抽采濃度在38%～58%的范圍內，瓦斯抽采的效率較高。順層鉆孔的瓦斯抽采濃度隨著工作面的逐漸向前推進，鉆孔的瓦斯抽采濃度在逐漸增大。基于此可知，工作面順層鉆孔的瓦斯抽采受到覆巖垮落的影響較大。根據順層鉆孔的瓦斯監測數據可知，單個順層鉆孔的瓦斯抽采各項效果如表2所示。

表2 順層鉆孔瓦斯抽采效果各項參數

另外在工作面回采期間，通過對頂板長鉆孔采空區瓦斯抽采的效果進行監測分析，得出1301（上）工作面回采期間采空區抽采效果如表3所示。

表3 1301（上）工作面采空區頂板長鉆孔抽采效果

在1301（上）工作面回采期間，工作面上隅角的瓦斯含量控制在0.47%～0.78%之間，工作面回風順槽內的瓦斯濃度控制在了0.40%～0.74%之間，1301（上）工作面及回風順槽內的瓦斯含量均小于預設的瓦斯濃度報警值0.8%。基于此可知，1301（上）工作面采用的瓦斯綜合治理技術實現了工作面回采期間無瓦斯超限現象。

4 結論

根據1301（上）工作面具體的瓦斯賦存情況及地質條件，確定工作面采用千米鉆機遞進式抽采+底抽巷穿層抽采+順層鉆孔抽采+采空區頂板長鉆孔抽采相結合的瓦斯綜合治理技術，并對每種抽采方式的各項參數進行具體設計。監測結果表明，1301（上）工作面采用上述綜合治理技術后，實現了瓦斯的高效抽采，保障了工作面的安全回采。