1304工作面瓦斯抽采問題分析及技術優化措施

蘇國青

（山西潞安礦業集團慈林山煤業有限公司李村煤礦，山西 長治 046100）

瓦斯抽采是預防采掘工作面瓦斯超限，保證煤礦安全生產的重要技術手段。綜采工作面對煤層施工鉆孔進行瓦斯預抽，包括本煤層瓦斯預抽、裂隙帶瓦斯預抽、穿層瓦斯預抽等。受施工工藝、地質條件等影響，瓦斯抽采過程中存在很多問題，如：鉆孔長度不足、鉆孔施工質量差、瓦斯抽采率低、封孔技術落后等[1]，制約了瓦斯抽采效率，威脅著煤礦安全生產。本文以李村煤礦1304工作面為研究對象，對工作面前期瓦斯抽采主要存在問題進行分析，并進行實際應用優化。

1 概述

潞安集團慈林山煤業有限公司李村煤礦屬于高瓦斯礦井，1304工作面位于井田一采區，南部為實煤區，西部的1302工作面已回采結束，北側和東側為南部大巷。

1304工作面設計走向長度為920 m，傾向長度為240 m，工作面回采煤層為石炭系3#煤層，平均厚度為4.2 m，該煤層賦存穩定，煤厚變異較小，煤層結構較簡單。煤體以黑色、塊狀為主，粒狀次之，亮煤為主，夾鏡煤條帶，煤質為貧煤。1304工作面采用綜合機械化回采工藝，截止2019年4月已回采320 m。

經鑒定1304工作面回采的屬于Ⅲ類破壞煤，煤層瓦斯抽采難度大，3#煤層瓦斯含量測定值為5.96～15.76 m3/t，殘存瓦斯含量為2.7 m3/t，實測的最大瓦斯壓力為0.45 MPa，小于0.74 MPa。煤層瓦斯透氣性系數為0.0997 m2/MPa2·d，瓦斯放散初速度△p為13～19，煤的堅固性系數為0.41～0.45，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.5639 d-1，百米鉆孔初始瓦斯涌出量為0.128 m3/min·hm，煤層孔隙率為2.1%～3.5%。

2 工作面瓦斯抽采現狀及問題分析

2.1 前期工作面瓦斯抽采工藝

1304工作面回采前期為了保證安全高效回采，降低煤層瓦斯含量，對工作面布置順層鉆孔進行瓦斯抽采，具體鉆孔參數及施工工藝如下：

（1） 在工作面回風順槽垂直煤壁布置順層鉆孔，鉆孔距頂板間距為1.0 m，鉆孔直徑為75 mm，深度為90 m，鉆孔間距為20 m。

（2）鉆孔施工完后對鉆孔進行擴孔處理，擴孔深度為8.0 m，擴孔后在擴孔段內埋入孔口管并采用水泥砂漿進行封堵，封堵長度為8.0 m；將每個鉆孔內安裝一根直徑為43 mm瓦斯抽采支管并與回風順槽瓦斯抽采總管路連接。

（3）將1304回風順槽瓦斯抽采總管路與一采區臨時瓦斯抽放泵站內高壓抽放泵連接進行瓦斯預抽，當工作面回采至距鉆孔間距為5.0 m時，鉆孔停止瓦斯抽采，并及時拆除管路。

2.2 問題分析

（1） 鉆孔布置不合理。1304工作面長度為240 m，工作面回采前期瓦斯抽放鉆孔長度為90 m，鉆孔長度不足未能實現全長工作面煤層瓦斯抽采；同時3#煤層透氣性低，傳統順層鉆孔對煤層垂直范圍內瓦斯抽采效率低。

（2）工作面瓦斯抽采方法不合理。由于1304工作面直接頂主要以碳質泥巖為主，平均厚度為3.2 m，基本頂主要以砂紙泥巖與煤混合巖層為主，平均厚度為9.2 m，煤層頂板巖體裂隙發育，導致工作面上覆巖層形成裂隙瓦斯帶，占整個工作面瓦斯涌出量的37%，而傳統順層鉆孔僅可對本煤層瓦斯預抽，無法實現裂隙帶瓦斯預抽。通過觀察發現，前期瓦斯抽采后，工作面回采期間平均瓦斯濃度達1.8%，回風隅角平均瓦斯濃度為1.4%。

（3）鉆孔施工效率及成型率差。1304工作面瓦斯抽放鉆孔主要采用風力干式法和水力濕式法兩個施工工藝，風力干式法以靜壓風為動力帶動釬桿轉動進行鉆孔施工，該方法施工鉆孔時鉆孔施工速度慢，平均15 m/h，而且會造成鉆場產生高濃度粉塵，平均粉塵濃度達104 mg/m3；而水力濕式法鉆孔時水壓在2.0～2.5 MPa之間，3#煤層直接頂易破碎，在高壓水力作用下鉆孔很容易垮落，成孔率相對較低[2]，通過前期鉆孔施工觀察發現，水力鉆孔時成孔率不足52%。

（4）封孔質量差。前期鉆孔封孔長度為8.0 m，鉆孔封孔段未處于穩定煤體內，封孔長度不合理；而且前期采用的水泥砂漿封孔時對鉆孔附近煤體裂隙粘接效果差，通過窺視孔觀察發現，采用水泥砂漿封孔時對孔壁徑向裂隙封堵對鉆孔封孔效果相對較差。

3 1304工作面瓦斯抽采工藝優化

3.1 鉆孔施工工藝優化

為了提高鉆孔成孔率，提高鉆孔成孔效率，降低鉆場粉塵濃度決定采用 “風塵分離鉆孔施工+泡沫抑塵”聯合措施進行鉆孔施工。

（1）風塵分離鉆孔施工。采用型號為ZKT30/45風塵分離鉆機進行鉆孔施工[3]，鉆機功率為45 kW，鉆機采用高壓風作為動力，風力為3.0 MPa，在鉆孔施工時可將粉塵及動力風進行分離，有效防止粉塵對鉆桿堵塞現象；而且該鉆機功率大，鉆機速度快。

（2）泡沫抑塵。在孔口處安裝一套泡沫抑塵裝置，該裝置主要由PLC控制器、聯鎖開關、粉塵濃度傳感器、泡沫生產器以及高壓噴頭等部分組成；聯鎖開關與鉆機開關連接，鉆場粉塵濃度達50 mg/m3時，通過粉塵濃度傳感器及時將數據信號上傳至PLC控制器，通過控制器控制作用控制泡沫生成器產生高濃度泡沫，并通過高壓噴頭噴出吸附粉塵。

3.2 瓦斯抽采工藝優化

為了提高本煤層以及上覆巖層裂隙帶瓦斯抽采效果，1304工作面從350 m處開始采取“本煤層交叉斜角鉆孔+裂隙帶高位鉆孔”綜合瓦斯抽采方法。

（1）本煤層交叉斜角鉆孔瓦斯抽采

首先采用鉆機在1304工作面回風順槽施工一排斜角鉆孔，鉆孔施工在距頂板1.5 m處，鉆孔深度為120 m，鉆孔直徑為75 mm，鉆孔向工作面水平方向夾角為20 °，俯角為10 °，鉆孔間距為10 m，第一個鉆孔距工作面間距為30 m，見圖1。

當回風順槽側煤壁鉆孔施工完后，在運輸順槽側同樣施工一排斜角鉆孔，鉆孔參數不變，第一個鉆孔施工在距工作面45 m處，頭尾順槽兩組瓦斯抽采鉆孔成交叉布置[4]。

所有鉆孔施工完后對鉆孔進行擴孔以及封孔處理，然后對鉆孔進行瓦斯抽采。

（2）裂隙帶高位鉆孔瓦斯抽采

裂隙帶高位鉆場布置在工作面回風順槽側煤壁內，鉆場規格為長×深×高=4.0 m×4.0 m×3.0 m，鉆場頂板與3#煤層頂板一致，高位鉆場間距為120 m。

高位鉆場施工完后對鉆場內布置一排高位仰斜瓦斯抽放鉆孔，每個鉆場內共計布置4個高位鉆孔（1#～4#），鉆孔深度為130 m，其中1#鉆孔水平角為10 °，仰角為10°；2#鉆孔水平角為20°，仰角為8°；3#鉆孔水平角為30°，仰角為6°；4#鉆孔水平角為40°，仰角為4°。

圖1 1304工作面“本煤層交叉斜角鉆孔+裂隙帶高位鉆孔”布置

3.3 鉆孔封孔工藝優化

采用PD材料進行封堵以保證鉆孔封孔質量[5]。具體封孔工藝如下： ①首先對鉆孔進行擴孔處理，擴孔深度為11 m，擴孔直徑為90 mm，擴孔后對鉆孔內埋入孔口管，孔口管主要為PE管，每節長度為3.0 m，共計4節；②孔口管安裝后分別對孔底、孔口0.5 m范圍內采用聚氨酯以及白布進行聯合封堵，同時在管與孔壁之間埋入直徑為16 mm注漿管及回漿管，見圖2；③漿注漿管與注漿泵連接，對鉆孔中部環形封堵空間高壓注入灰水配比為2:1的PD材料漿液，待回漿管出漿后及時停止注漿，注漿24 h進行瓦斯抽采。

圖2 瓦斯鉆孔PD新材料封孔工藝

4 結語

1304工作面后期回采過程中對工作面瓦斯抽采工藝進行合理優化后，通過實際應用觀察發現：

1）采用“本煤層交叉斜角鉆孔+裂隙帶高位鉆孔”聯合瓦斯抽采施工工藝后提高煤層瓦斯抽采效率，降低了采空區頂板裂隙帶瓦斯濃度，后期回采中工作面及回風隅角平均瓦斯濃度控制在0.5%以下。

2）鉆孔施工工藝優化后，鉆孔施工效率提高至29 m/h，避免了鉆桿堵塞、塌孔等現象，鉆孔成孔率提高至87%，鉆場附近粉塵濃度控制在30 mg/m3以下。

3）采用PD新材料封孔工藝后，有效保證了瓦斯鉆孔封孔長度，與傳統水泥砂漿封孔工藝相比，該工藝實現了全長封孔，而且PD材料滲透能力、膠結性強，大大提高了鉆孔封孔質量，保證了瓦斯抽采安全及抽采濃度。