正利煤礦14-1102 孤島工作面瓦斯綜合治理技術研究

趙富貴

（山西焦煤集團嵐縣正利煤業有限公司，山西 呂梁 033000）

1 工作面概況

正利煤礦14-1102 工作面位于一采區軌道上山正南方向，西鄰14-1103 采空區，東鄰14-1101 采空區，為孤島工作面。工作面開采4-1號煤層，上鄰近層為3 號煤線，下鄰近層為4 號煤層。煤層走向近南北，傾向東，傾角約6°，位于太原組頂部，煤厚0.85～4.50 m，平均厚度3.13 m，煤層結構中等，含0～3 層夾矸，夾矸一般為泥巖或炭質泥巖，頂底板多為砂質泥巖或泥巖，屬于全井田穩定可采煤層。相鄰采空區預留保安煤柱25 m，工作面走向長度1960 m，工作面傾斜長度170 m，兩巷采用錨網支護。工作面采用走向長壁一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板。礦井為低瓦斯礦井，14-1102 工作面采用U 型通風系統，14-1102 軌道順槽進風，14-1102 膠帶順槽回風，工作面回采期間設計配風量為1300 m3/min。工作面通風示意圖如圖1。

圖1 工作面通風示意圖

4-1號煤層原煤瓦斯含量為1.98～2.07 m3/t，相對瓦斯壓力為0.19～0.23 MPa。預計在開采14-1102工作面時，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為4.79 m3/min，最大相對瓦斯涌出量為1.69 m3/min。工作面的瓦斯涌出量構成結果見表1。

表1 工作面瓦斯涌出量構成預測結果

2 工作面回采期間瓦斯來源及涌出規律分析

2.1 工作面回采期間瓦斯來源分析

由于14-1102 回采工作面采用“U”型通風方式，隨著工作面的回采落煤、鄰近層和周邊采空區瓦斯涌出，容易造成回采工作面的回風流及回風隅角瓦斯增高。分析其瓦斯來源主要有以下幾個方面。

（1）當工作面回采時，短時間內落煤量大，采落破碎的煤體會釋放出大量的瓦斯，涌入到工作面及回風順槽。

（2）4-1號煤層的上鄰近層為3-2號煤線，下鄰近層為4 號煤層，距離本煤層距離分別為4 m 和3.88 m。在本煤層采動影響下，上、下鄰近層的瓦斯將通過頂、底板采動裂隙帶向本煤層涌出。

（3）受通風負壓的影響，鄰近工作面采空區瓦斯涌入到工作面，并且孤島工作面及其周圍巷道附近應力集中程度高，隔離相鄰采空區的保護煤柱受壓后產生裂隙，相鄰采空區內的瓦斯通過裂隙涌入工作面巷道和采空區，造成回風流和回風隅角瓦斯濃度升高。

2.2 工作面回采期間瓦斯涌出量預測

（1）14-1102 兩順槽掘進期間實測瓦斯涌出量

14-1102 上順槽為1.2 m3/min，14-1102 下順槽為1.1 m3/min，瓦斯涌出量要小于14-1101 工作面兩順槽，與14-1103 工作面兩順槽接近。

（2）14-1102 兩順槽回采期間預測瓦斯涌出量

根據14-1101、14-1103 工作面實測瓦斯涌出量情況及對瓦斯來源和涌出規律的分析，14-1102 工作面絕對瓦斯涌出量將介于14-1101 工作面和14-1103 工作面之間。預測14-1102 工作面絕對瓦斯涌出量為4.79 m3/min，其中抽采量為1.20 m3/min，風排瓦斯量為3.59 m3/min。

考察了不同甲醇－酸水系統和乙腈－酸水系統（0.05%磷 酸 、0.1%磷 酸 、0.2%磷 酸 、0.5%冰 醋 酸 、0.2%冰醋酸和去離子水），結果表明，甲醇－0.5%冰醋酸溶液作為流動相時，分離度相對較好，基線較平穩，出峰時間適當，故流動相確定為甲醇－0.5%冰醋酸水溶液。

3 工作面回采期間瓦斯治理措施

3.1 保安煤柱的支護和管理

（1）增加保安煤柱厚度，14-1102 兩翼煤柱厚度由原設計的20 m 增加為25 m。

（2）14-1102 兩順槽掘進期間對兩順槽保險幫和頂板加強支護，將頂幫原金屬網加強為鋼筋網；保險幫在原錨網支護的同時，按三花形補強布置3.5 m 錨索，增加煤柱的抗動壓抗破壞強度。

（3）14-1102 工作面回采期間不回收兩順槽保險幫的角錨桿和幫錨桿，只回拆頂板的錨桿和錨索。

3.2 相鄰采空區瓦斯治理

（1）采空區瓦斯自動釋放

與中國礦大聯合研究，在14-1101 和14-1103 的防火墻的措施孔上安設自動電控閥門，利用密閉內外壓差進行自動疏放采空區內瓦斯，并降低采空區內的壓差，疏放瓦斯引排至回風大巷（回風上山），經總回風排出地面。

（2）采空區閉墻插管瓦斯抽采

表2 相鄰采空區瓦斯治理方案優缺點對比

經過比較，對14-1101 和14-1103 采空區閉墻進行插管抽采方案可靠，能有效對采空區瓦斯形成負壓區域，減少鄰近工作面采空區瓦斯涌入到14-1102工作面。因此優先采用方案二治理相鄰工作面采空區瓦斯。

3.3 工作面進、回風隅角瓦斯治理

（1）合理調整工作面配風量

參考14-1101、14-1103 工作面的配風量，14-1102工作面設計配風量為1300 m3/min。如果巷道風流中的瓦斯濃度較高可以考慮增加工作面的配風量至1500 m3/min（14-1101 工作面的配風量曾增加到1500 m3/min，回風流瓦斯濃度穩定在0.25%以下）。

（2）工作面進風隅角瓦斯治理

為了減小采空區漏風，礦井需在進風隅角處加強退錨工作，并進行堵漏，防止向采空區漏風，避免帶出大量的采空區瓦斯。

（3）工作面回風隅角瓦斯治理

① 高位裂隙帶鉆孔抽采

高位裂隙帶鉆孔抽采就是通常所說的卸壓層瓦斯抽采。在煤層群條件下，受開采層的采動影響，其上部或下部的鄰近層煤層得到卸壓而產生膨脹變形，煤層透氣性大幅度提高。此時煤層與巖層之間形成的空隙與裂縫，不僅可儲存卸壓瓦斯，而且也是良好的瓦斯流動通道，適合采用高位裂隙帶鉆孔抽采鄰近層瓦斯解決采空區瓦斯涌出問題。根據工作面初次來壓距離及周邊其他礦井生產經驗，裂隙帶高度約為工作面采高的10 倍左右。在膠帶順槽頂板每30 m 施工一組高位裂隙帶鉆孔，每組6 個鉆孔，孔間距0.5 m，鉆孔呈扇形布置，鉆孔參數見表3。

表3 高位裂隙帶鉆孔技術參數表

② 采空區插管抽采

回采期間對工作面回風隅角進行插管抽采，主要抽采回風隅角10～20 m 范圍內采空區的瓦斯，減少采空區瓦斯向回風隅角的涌出量。瓦斯抽采主管為DN480 螺旋鋼管，沿回風大巷布置，抽采支管為DN350 螺旋鋼管，沿工作面回風巷安全幫頂部布置，每隔200 m 安裝一個閥門和1 臺手動放水器。螺旋管長5 m/根，均布三道吸氣孔，不用時吸氣孔處于封閉狀態，當進入采空區時，吸氣孔打開。同時，在端頭架與煤幫之間，每隔5 m 沿支架切頂線，用編織袋填裝煤渣施工一道閉墻，確保閉墻與支架和煤體接觸嚴實，在采空區內形成一個相對封閉的抽采空間，提高抽采效果；同時也可以對抽入管支撐，防止埋入巷道底板；還可減少采空區內的瓦斯涌出。隨著工作面推進，抽采管進入采空區內30 m左右時，對抽采支管路進斷管一次，抽采管管口用鐵紗網包好，以防止煤矸進入抽采管路。抽采管吸氣孔布置和工作面的抽采示意圖如圖2、圖3。

圖2 抽采管吸氣孔布置圖

圖3 工作面抽采示意圖

③ 強制放頂

14-1102 孤島工作面兩順槽采用“錨梁網+錨索”支護方式，該支護方式有利于加強頂板管理。但是，該支護方式會造成工作面回采后采空區頂板不易垮落，采空區空頂距長，空頂面積大，不利于工作面瓦斯管理。針對上述情況，14-1102 孤島工作面采用水力切割技術超前卸掉錨桿和錨索托盤，確保機頭懸頂控制在3 m 以內，每個生產班后在端頭架頂梁前端施工1 組鉆桿Φ-32 的頂板預裂鉆孔（間距為0.2 m，每組孔數15 個以上，孔深要穿透K4 砂巖，角度向采空區方向傾斜75ɑ），使工作面兩順槽頂板能夠隨工作面的推進及時冒落，從而減小采空區瓦斯積聚的空間，減少工作面向采空區漏風量，達到降低工作面回風隅角瓦斯濃度的效果。

3.4 工作面均衡生產

綜采隊嚴格控制每班割煤刀數在4 刀以內；機頭20 架范圍內，采機速度控制在1.5 m/min 以下，工作面前半部分時采機速度控制在3 m/min 以下。機頭采空區內頂板垮落不好，但未超5 m 時，當班生產控制在3 刀以內；機頭采空區內懸頂長度超過5 m 時，停止割煤作業，采取縮小鉆孔間距、增加鉆孔數量措施，緩慢推進，至采空區垮落。

當班瓦檢員、安全員負責割煤刀數和頂板預裂鉆孔施工情況的監督和匯報。如果預裂鉆孔施工數量和質量達不到要求，瓦檢員、安全員要及時匯報調度，調度室主任進行處罰，并安排在下一班開工前重新補充施工，直至達標方可生產。否則，通風區長予以遠程斷電。

4 結論

通過分析正利煤礦14-1102 孤島工作面的瓦斯賦存情況、瓦斯來源和涌出規律，根據實際安全生產的需要，有針對性地提出了高位裂隙帶鉆孔抽采、采空區插管抽采、強制放頂、鄰近采空區瓦斯抽采與風排瓦斯相結合的瓦斯綜合治理措施，有效降低回風流和回風隅角瓦斯濃度，有效解決孤島工作面瓦斯超限問題，保證回采工作面安全生產。