淺談祥升煤業3301 工作面瓦斯治理效果

劉金鋒

（山西壽陽潞陽祥升煤業有限公司，山西 長治 045414）

祥升煤礦隸屬于山西潞安集團，井田面積為10.4 km2，開采深度1160～710 m，核定生產能力90 萬t/a，現采煤層主要為3#、6#和15#下煤層。根據2020 年瓦斯等級測定，礦井絕對瓦斯涌出量為89.64 m3/min，相對瓦斯涌出量為22.74 m3/t，回采工作面最大瓦斯絕對涌出量為15.42 m3/min，掘進工作面最大瓦斯絕對涌出量為3.55 m3/min，屬于高瓦斯礦井，自燃傾向性屬不易自燃。3301 工作面是祥升礦3#煤三采區第一個工作面，工作面標高+885～ +920 m，煤層均厚2.0 m，煤層賦存地質結構簡單，頂板為砂質泥巖、碳質泥巖，底板為砂質泥巖，少量為細砂巖，屬穩定的全區可采煤層。工作面布置方式分為里外兩個階段，其中里段采用“U”型，外段采用“Y”型方式布置巷道。回采里段時皮順進風，專用回風巷回風，回采外段時，皮順、軌順進風，專用回風巷回風，如圖1。皮順長度1012 m，軌順長度991 m，設計可采長度966 m，切眼210 m，可采儲量約53.96 萬t，煤層為不易自燃，煤塵具有爆炸危險性。根據3#煤層瓦斯地質圖及采區瓦斯基礎參數測定報告，工作面煤層瓦斯含量為6～8.5 m3/t，殘存瓦斯含量為2.35 m3/t，預測瓦斯含量最大為8.5 m3/t，煤層孔隙率為4.11%，透氣性系數為0.16～0.297 m2/（MPa2.d），百米鉆孔瓦斯流量為0.02 m3/min，衰減系數為0.036 d-1，瓦斯放散初速度為9.3 mmHg。根據《煤礦瓦斯抽采工程設計規范》規定，對工作面瓦斯儲量及可抽量進行預測，3301 工作面瓦斯儲量為458.66 萬m3，可抽瓦斯儲量331.85 萬m3。

圖1 3301 工作面布置圖

1 掘進期間的瓦斯治理

祥升煤礦隸屬于山西潞安集團，按照《潞安集團“一通三防”管理制度》（2016）要求：（1）掘進過程中出現工作面絕對瓦斯涌出量≥3 m3/min、百米巷道最高瓦斯涌出量達到0.5 m3/min 或治理瓦斯實際供風量大于1000 m3/min 三種情況，必須實施邊掘邊抽；（2）當掘進工作面原始瓦斯含量大于或等于8 m3/t 時，必須先抽后掘，采用穿層預抽、迎頭預抽或鄰巷預抽超前抽采瓦斯，待瓦斯含量降至8 m3/t 以下方可進行掘進作業。根據工作面實際情況，決定采用在巷道兩側交替布置邁步鉆場進行邊掘邊抽，以及工作面迎頭布置預抽鉆孔的方式進行掘進期間的瓦斯治理。

1.1 邊掘邊抽鉆孔

3301 工作面掘進工作面兩側交替布置邁步鉆場，鉆場規格尺寸為：深4.5 m，長4 m，高3 m。鉆場掘成后，在開口處應加強支護，確保安全。邁步鉆場布置：同側鉆場間距100 m，異側鉆場間距50 m，每個鉆場布置6 個鉆孔（共布置2 層，每層布置3 個鉆孔），鉆孔長度120 m，孔徑94 mm，鉆孔間距0.5 m，鉆孔與巷道走向夾角2°、4°和6°，鉆孔與水平面夾角與煤層傾角一致。具體布置如圖2。

圖2 邊掘邊抽鉆場鉆孔布置示意圖

1.2 工作面迎頭預抽鉆孔

工作面迎頭布置12 個預抽鉆孔（共布置3 層，每層布置4 個鉆孔），鉆孔朝向巷道前進方向，鉆孔長度120 m，孔徑94 mm。鉆孔技術參數見表1。

表1 鉆孔技術參數表

2 采煤工作面瓦斯治理

采煤工作面的瓦斯主要來源于回采落煤瓦斯涌出、采空區瓦斯涌出和下臨近層瓦斯涌出。根據煤層瓦斯抽放難易程度分析，3#煤層瓦斯為可以抽采。3301 工作面的鄰近層主要為下鄰近層6#、8#、9#，距離3#煤層間距較小，且頂板裂隙發育，受采動影響，下鄰近層瓦斯通過裂隙進入3#煤層采空區，可采用采空區埋管抽采對該部分瓦斯進行治理。根據3301 工作面瓦斯地質圖瓦斯含量以及《3 號、6 號煤層三采區瓦斯基礎參數測定》，決定3#煤層3301 工作面瓦斯抽采采用順層鉆孔預抽煤層瓦斯，采空區采用沿空留巷埋設抽采管路抽排瓦斯的治理方法。在3301 皮順、3301 軌順、3301 專用回風巷分別布置一趟Ф325 mm 瓦斯管路，3301 皮順和3301 軌順瓦斯管路帶抽采工作面煤層預抽鉆孔，由地面瓦斯泵站高負壓帶抽，3301 專用回風巷瓦斯管路延伸至3301 皮順，單U 段回采時帶抽頂板裂隙帶鉆孔，沿空留巷段回采時，帶抽采空區埋管，由地面瓦斯泵站低負壓帶抽。

2.1 本煤層預抽鉆孔

在3301 皮順112 m 位置開始至距切眼20 m處，以及3301 軌順材料巷口20 m 位置開始至距切眼20 m 處分別施工平行順層預抽鉆孔，鉆孔間距5 m，鉆孔開孔高度1.3 m，鉆孔方位角20°，傾角0～±5°，鉆孔直徑94 mm，鉆孔深度115 m，共施工鉆孔390 個，鉆孔進尺44 850 m，如圖3。3301 工作面里段采用“U 型”通風系統，在該區域內皮順施工頂板裂隙帶鉆孔，鉆孔從巷道頂板處開孔，每3 個鉆孔為一組，組間距為5 m。1#鉆孔方位角-8°，2#鉆孔方位角-4°，3#鉆孔方位角0°，鉆孔傾角均為30°，鉆孔深度50 m，鉆孔終孔垂高25 m，施工距離130 m，共26 組合計78 個鉆孔，總進尺3900 m，如圖4。

圖3 本煤層預抽鉆孔布置示意圖

2.2 采空區沿空留巷埋管抽采

采空區沿空留巷是在皮順采取沿空切頂留巷措施。為有效治理3301 工作面沿空留巷段回采期間的瓦斯，設計在沿空留巷墻體上進行采空區埋管抽采，在3301 專用回風巷鋪設一趟Ф426 mm 瓦斯管路延伸至3301 皮順用于采空區埋管抽采。隨著工作面的推進逐步延伸管路，每間隔100 m 在皮順留巷幫埋設一根Ф325 mm 瓦斯管進行采空區抽采。在沿空切頂留巷假幫預鋪設兩側風筒布，通過頂板垮落壓實形成封閉，并在沿空切頂留巷起始處施工密閉，閉墻埋設抽采管路直接抽采采空區瓦斯。由于沿空切頂留巷起始處施工有閉墻，并埋瓦斯管進行抽采，使閉墻里側采空區內形成泄壓區，采空區瓦斯通過氣體流場進入泄壓區，經過瓦斯抽采系統排出，如圖5。

圖4 頂板裂隙帶鉆孔布置示意圖

圖5 采空區瓦斯治理原理示意圖

3 “Y 型”通風系統瓦斯治理情況

（1）“Y 型”通風系統形成初期，軌道順槽配風量1750 m3/min，膠帶順槽配風量500 m3/min。在起始階段，實測回風流平均瓦斯濃度為0.36%，工作面風排瓦斯量為8. 1 m3/min，沿空切頂留巷假幫處瓦斯濃度平均0.30%，工作面煤層瓦斯抽采量3.3 m3/min，采空區瓦斯抽采混量為100 m3/min，抽采純量為2.5 m3/min，工作面抽采率為41.7%。

（2）隨著3301 工作面的推進，3301 皮順沿空切頂留巷里程越來越長，起始閉墻處的抽采卸壓區作用距離有限，則沿空切頂留巷假幫靠近支架20～30 m 處的瓦斯升高。沿空留巷150 m 時，假幫處瓦斯濃度最高0.60%左右，回風流平均瓦斯濃度為0.50%。此時安排在沿空切頂留巷段假幫埋設第二趟瓦斯管路進行抽采，形成第二個卸壓區，假幫埋管處瓦斯濃度最高0.75%左右，回風流平均瓦斯濃度上升為0.50%。經分析，假幫埋管抽采會造成采空區抽采點與沿空切頂留巷埋管抽采點的負壓進行對拉，且管路口埋入深度距假幫較近，采空區內瓦斯流場方向變動，將部分瓦斯帶至假幫處并向巷道內涌出，導致回風流瓦斯濃度升高。

根據沿空切頂留巷埋管試驗結果，采取增大采空區埋管處抽采負壓能力的方式來進一步解決采空區瓦斯問題，回風流瓦斯濃度隨之降至0.42%，工作面風排瓦斯量為9.45 m3/min，沿空切頂留巷假幫處瓦斯濃度平均為0.55%，工作面煤層瓦斯抽采量3.2 m3/min，采空區瓦斯抽采混量為150 m3/min，抽采純量為4 m3/min，工作面抽采率為43.2%。

（3）沿空留巷至260 m 時，回風流瓦斯濃度再次升高，工作面瓦斯濃度為0.30%，回風流瓦斯濃度0.60%。經分析得知，因埋入管路口距假幫較近，使采空區的泄壓區距假幫較近，隨著生產的推進，在泄壓區的作用下，沿空切頂留巷假幫處及回風流瓦斯濃度再次升高，采空區瓦斯涌出量隨之升高。

4 結論

采用瓦斯抽采技術并輔之以“Y 型”通風，對3301 工作面掘進期間、工作面開采期間進行瓦斯治理，有效降低了煤層瓦斯含量，減少了工作面瓦斯涌出，提高了煤炭資源回收率。根據收集數據，工作面回采過程中瓦斯濃度在可控范圍內，不僅解決了單“U”通風系統由于上隅角通風不暢瓦斯濃度較高的問題，還提升了綜采工作面的瓦斯抽采率，且采用沿空切頂留巷技術，提高了近5.2 萬t 的原煤資源回收，可減少掘進巷道施工890 m，產生經濟效益約800 萬元。