下鄰近層瓦斯治理對綜采工作面安全生產的影響

李小亮，李張彤，王 鴻

(華晉焦煤公司 沙曲二號煤礦， 山西 呂梁 033000)

瓦斯是煤礦生產“六大”災害之一，也是制約煤礦企業產能提升的重要影響因素。近幾年，隨著安全管理水平的提升和各類瓦斯綜合治理技術的應用，高瓦斯突出礦井綜采工作面在瓦斯治理方面取得了成功。但是由于各礦井煤層賦存和頂底板巖性存在差異，下鄰近層瓦斯涌出已經成為制約綜采工作面安全回采的主要因素，尤其是河東煤田離柳礦區，因為屬于近距離突出煤層群開采，下鄰近層瓦斯涌出已經占到綜采工作面瓦斯涌出量的45%以上，在未進行下鄰近煤層瓦斯治理的情況下，綜采工作面在回采過程中頻繁出現底板瓦斯異常涌出，造成工作面及其回風流瓦斯長期居高不下，而在補充施工下鄰近煤層瓦斯治理鉆孔后，工作面瓦斯涌出量顯著減小。本文通過分析沙曲二號煤礦4401工作面下鄰近煤層瓦斯異常涌出現象及其采取的瓦斯治理措施，提出了一套基于長距離定向鉆孔抽采下鄰近煤層瓦斯的治理方法，以實現工作面的安全回采。

1 工作面概況

1.1 工作面概況

4401綜采工作面是四采區4#煤第一個回采工作面，工作面北面為4205、5205采空區，南面為未開拓區，西面為強家塔村莊保安煤柱，東面為四采區集中巷道。4401綜采工作面布置軌道巷、膠帶巷兩條巷道，其中4401軌道巷設計長度847 m，膠帶巷設計長度847 m，切眼長220 m，采高2.4 m. 工作面地質條件相對簡單，整體為一單斜構造，局部有小型斷裂及褶皺構造，煤層傾向WN，傾角3°～6°，平均為4°. 在4401軌道巷里程612 m處揭露正斷層F4SZ41(182°∠82°h=0.8 m)，工作面在回采過程中揭露正斷層F4SZ73(182°∠28°h=2.3 m).

1.2 工作面通風系統情況

4401綜采工作面設計采用沿空留巷“Y”型通風方式，即在工作面回采過程中，4401膠帶巷作為主要進風巷道，4401軌道巷作為輔助進風巷道，4401軌道巷后部采用沿空留巷作為工作面回風巷，回風經3402回風聯絡巷、3402軌道巷、回風大巷，回入回風斜井。工作面回采期間總配風量1 688 m3/min，其中4401膠帶巷配風量1 100 m3/min，4401軌道巷配風量588 m3/min.4401工作面通風系統圖見圖1.

圖1 4401工作面通風系統圖

1.3 工作面瓦斯綜合治理措施及實施情況

根據分源預測法，4401綜采工作面的瓦斯主要來源于本煤層、下鄰近5#煤層，結合相鄰4205綜采工作面和4204綜采工作面的瓦斯治理措施及其治理效果，4401綜采工作面主要采用：本煤層順層鉆孔抽采、頂板走向裂隙帶鉆孔抽采和沿空留巷埋管抽采3種瓦斯治理方法。

1) 4401工作面順層鉆孔抽采。在4401軌道巷160 m、630 m處鉆場，利用澳鉆施工了長距離定向鉆孔。對于長距離定向鉆孔未輻射的空白帶區域，在4401膠帶巷利用國產鉆機補充施工了本煤層鉆孔，用于抽采本煤層瓦斯。本煤層鉆孔設計圖見圖2.

2) 4401工作面高位裂隙帶鉆孔抽采。在3402軌道巷施工4401工作面高位裂隙帶鉆孔，用于抽采4401工作面回采期間的裂隙帶瓦斯，高位裂隙帶鉆孔設計圖見圖3.

圖3 4401工作面高位裂隙帶鉆孔設計圖

3) 沿空留巷壓埋管抽采。在留巷段充填墻體上前30 m內每間隔3 m預留一根DN219 mm抽放管，之后每隔9 m預留一根DN110 mm抽采管，用于抽采4401沿空留巷墻體和采空區瓦斯。壓埋管抽采設計見圖4.

圖4 4401工作面沿空留巷壓埋管抽采設計圖

2 工作面回采期間出現的異常瓦斯涌出

2.1 工作面瓦斯異常涌出

4401綜采工作面于2017年9月24日開始回采，至2018年3月14日，累計推進155 m. 2018年3月16日，工作面揭露正斷層F4SZ41(182°∠82°h=0.8 m)，在過斷層過程中工作面底板出現多處裂隙，涌出大量瓦斯，造成工作面及其回風流瓦斯濃度異常升高，其中工作面瓦斯濃度由0.36%增加至0.78%，回風瓦斯濃度由0.46%增加至0.76%. 因工作面底板瓦斯大量涌出，工作面多次出現瓦斯斷電閉鎖。為確保工作面安全，4401工作面停止生產，開始補充施工下鄰近層瓦斯治理鉆孔。工作面底板瓦斯異常涌出期間的瓦斯涌出量見表1.

表1 4401綜采工作面瓦斯涌出量表

2.2 瓦斯異常涌出來源分析

根據工作面現場觀測，4401綜采工作面13#—19#支架、70#—90#支架、100#—120#支架等處下鄰近及煤壁出現多條裂隙。工作面70#—90#支架段存在正斷層F4SZ41(182°∠82°h=0.8 m)地質構造。通過對比4401綜采工作面正常回采期間和底板瓦斯異常涌出期間的瓦斯觀測數據見圖5.由圖5可以看出，工作面在正常生產與檢修期間，瓦斯濃度增量在0.10%左右，瓦斯涌出量較為穩定。當工作面揭露正斷層F4SZ41，在采動影響下工作面底板及煤壁出現多條裂隙，大量涌出瓦斯，導致工作面進風至機尾段瓦斯濃度增加0.20%～0.30%.

圖5 4401工作面瓦斯濃度變化趨勢圖

通過分析工作面瓦斯地質情況，認為正斷層F4SZ41的存在，導致下鄰近5#煤層瓦斯大量積聚在斷層前部，當工作面揭露斷層時，下鄰近層瓦斯通過采動裂隙涌入工作面，造成工作面瓦斯涌出量大幅增加。

2.3 瓦斯治理措施

4401工作面相鄰的二采區4#煤層回采過程中，下鄰近5#煤層從未出現異常涌出，且4401工作面相鄰的4#、5#煤層工作面均已安全回采，因此在瓦斯治理設計中未考慮到下鄰近層瓦斯涌出會對工作面安全回采造成影響，該工作面未設計、未施工下鄰近層瓦斯治理鉆孔。根據4401綜采工作面瓦斯異常涌出原因分析和工作面實際情況，參考文獻[1，2]，制定并實施了以下瓦斯治理措施：

1) 在4401綜采工作面瓦斯涌出點集中的70#—90#支架段等區域，向底板方向間隔2 m施工孔深1.5 m鉆孔，抽采底板瓦斯。

2) 在4401軌道巷距切眼15 m處施工下鄰近5#煤層鉆孔7個，鉆孔終端穿過下鄰近5#煤層底板以下1 m，抽采下鄰近5#煤瓦斯。

3) 在4401軌道巷從切眼往外間隔6 m，施工4#煤本煤層鉆孔4個，鉆孔終端穿過工作面地質構造，抽采70#—90#支架處構造內賦存瓦斯，同時牽制下鄰近5#煤層瓦斯涌向4401綜采工作面空間。

4) 在4401軌道巷510 m處鉆場分別施工4#煤本煤層長距離鉆孔和下鄰近5#煤層長距離鉆孔，補充4401綜采工作面回采前未施工的下鄰近5#煤層瓦斯治理鉆孔，牽制下鄰近5#煤層瓦斯涌向4401綜采工作面空間。

5) 對4401膠帶巷運輸機頭40 m范圍內進行擴幫、對4401沿空留巷水倉處進行拉底，擴大通風斷面，降低4401綜采工作面負壓，減少4401綜采工作面采空區和下鄰近5#煤層瓦斯涌出。

6) 對4401工作面風量進行調整，將4401膠帶巷進風量由1 150 m3/min增加至1 320 m3/min，將工作面總風量由1 688 m3/min增加至1 929 m3/min.

7) 啟動2#瓦斯抽放泵站一臺瓦斯排空泵，專門用于增加4401綜采工作面抽放負壓，提高4401綜采工作面瓦斯治理鉆孔的抽采量。4401工作面瓦斯治理鉆孔施工圖見圖6.

圖6 4401工作面瓦斯治理鉆孔施工圖

3 瓦斯治理效果考察

3.1 瓦斯治理效果

1) 隨著下鄰近5#煤層瓦斯治理鉆孔和70#—90#支架構造處瓦斯治理鉆孔的施工，4401綜采工作面和回風瓦斯濃度逐漸降至0.7%以下，并呈現出下降趨勢，直至恢復到0.50%以下。這說明下鄰近5#煤層的瓦斯治理工作，對4401綜采工作面底板瓦斯涌出和工作面70#—90#支架構造處瓦斯涌出起到了極大地牽制作用，有效降低了工作面瓦斯濃度。

2) 在4401綜采工作面切眼瓦斯涌出集中區域施工底板瓦斯治理鉆孔期間，雖然鉆孔孔深只有1.5 m，但鉆孔內瓦斯壓力明顯，尤其在70#—90#支架構造處及其附近，不但瓦斯壓力大，孔內的瓦斯濃度也很高，均在70%以上。這說明地質構造對瓦斯賦存影響較大，在今后的瓦斯治理過程中，必須要對下鄰近煤層瓦斯進行治理，尤其是存在地質構造的工作面，必須提前探明構造區域的瓦斯賦存情況。

3) 根據4401綜采工作面抽采瓦斯及風排瓦斯數據分析4401沿空留巷抽采量與總量對比圖見圖7，3402裂隙帶鉆孔抽采量與總量對比圖見圖8，采取補充瓦斯治理措施后，4401綜采工作面瓦斯抽采總量由9.66 m3/min增加至16.69 m3/min. 其中，4401沿空留巷抽采管路帶抽下鄰近5#煤層鉆孔后，抽采純量由1.2 m3/min增加至3.58 m3/min；4401軌道巷510 m處鉆場內的5#煤層長距離鉆孔全部施工完成后，該鉆場內的4#煤層和5#煤層瓦斯抽采純量持續保持在5 m3/min以上；提高4401裂隙帶鉆孔的抽采負壓后，裂隙帶鉆孔抽采純量由8.7 m3/min增加至12.3 m3/min，隨著下鄰近5#煤層鉆孔施工完成并開始抽采，4401裂隙帶鉆孔的抽采量逐漸衰減，恢復至以前的6～8 m3/min；4401膠帶巷施工的4#煤層本煤層鉆孔抽采純量始終在0.20 m3/min左右，在瓦斯異常涌出期間也未出現明顯變化，這也反應出該次瓦斯異常涌出的瓦斯來源主要為下鄰近5#煤層。

4) 4401綜采工作面瓦斯治理鉆孔補充施工時的配套措施，如調整抽采系統、增加抽采負壓等，有效增加了工作面的瓦斯抽采效果，提高了工作面抽采率。

5) 在4401工作面恢復生產后，發現軌道巷和工作面底板補充施工的短距離下鄰近5#煤層鉆孔的抽采時間較短，僅抽采了小范圍內的5#煤層瓦斯，且在抽采3～5 d后鉆孔已無明顯壓力，工作面架間瓦斯濃度也降至0.12%. 4401軌道巷510 m處鉆場施工的長距離下鄰近5#煤層鉆孔的抽采時間較長，且抽采純量長期保持在5 m3/min以上，直至4401綜采工作面回采推過510 m處鉆場前，一直能實現有效抽采。

圖7 4401沿空留巷抽采量與總抽采量對比圖

圖8 3402裂隙帶鉆孔抽采量與總抽采量對比圖

4 結論和建議

沙曲二號煤礦4401綜采工作面因下鄰近5#煤層瓦斯異常涌出，影響了礦井安全生產。因此，該礦引進了ZDY-12000、ZDY-15000、ZDY-17000等扭矩在12 000 N·M以上的定向鉆機，在四采區、九采區施工下鄰近煤層定向長距離鉆孔，徹底解決下鄰近層瓦斯涌出問題。

在4401綜采工作面回采過程中，通過觀察下鄰近煤層定向鉆孔的抽采參數，提出下鄰近煤層瓦斯治理建議：

1) 回采工作面下鄰近煤層瓦斯治理鉆孔施工位置的選擇對于下鄰近層瓦斯抽采效果有著直接影響，在設計下鄰近層瓦斯治理鉆孔時，要充分分析工作面瓦斯地質情況和煤層賦存情況，選擇合適的鉆孔施工位置。

2) 綜采工作面順槽巷道施工的下鄰近煤層中的上行鉆孔因布置位置原因，在回采時被破壞后無法帶抽，容易造成鉆孔瓦斯涌出；下行鉆孔施工時容易發生瓦斯噴孔，且抽采過程中容易受到鉆孔積水、積渣等因素影響，抽采效果不佳。在布置下鄰近層鉆孔時，要根據巷道布置情況，盡量施工上行鉆孔，且要保證鉆孔能長時間抽采，不被回采截斷。

3) 綜采工作面順槽巷道施工的下鄰近煤層鉆孔存在瓦斯治理空白帶，應考慮采用水力壓裂技術，提高鉆孔輻射范圍。

4) 底板瓦斯抽放巷施工下鄰近煤層瓦斯治理鉆孔,具有抽采方式多樣、抽采時間長和可實現立體抽采的優點，是一個值得推廣的抽采方法。