綜放工作面瓦斯綜合治理技術應用

白帆

（潞安集團 余吾煤業公司，山西 長治046000）

0 引 言

工作面瓦斯治理成效對于掘進工作面施工的安全具有重要影響[1-2]，我國作為煤炭資源開采和利用的大國，國內煤炭企業中高瓦斯礦井數量占比較重，煤與瓦斯突出事故是礦井安全的主要隱患。基于此，國內各高瓦斯礦井在生產過程中，采用各種瓦斯抽采措施以提高工作面的瓦斯抽采率，一定程度上改善了礦井煤與瓦斯突出的狀況，工作面采掘活動中，瓦斯涌出量也得到了有效控制。但井下瓦斯抽采率普遍偏低的狀態還是沒有得到妥善的解決，瓦斯災害的形式依舊嚴峻。本文以余吾煤業N1105工作面為工程基礎，在工作面掘進期間，采取鄰近巷道區域預抽、邁步鉆場邊掘邊抽、施工迎頭釋放孔、迎頭鉆孔預抽等措施以及采用順層鉆孔采前預抽、切眼頂板釋放孔、高抽巷抽采、鉆場裂隙帶抽采、采空區長立管埋管瓦斯抽采等措施對保證工作面在掘進及回采期間的安全。研究并提出合理有效的瓦斯綜合治理體系，對高瓦斯礦井的生產安全具有重要的現實意義。

1 工作面概況

N1105工作面位于余吾煤業北風井西翼采區，工作面沿南北方向布置，采用U型通風系統。工作面設計可采長度為2 165 m，切眼302 m，主采3號煤層，平層傾角為+4°～-3°，平均煤厚6.5 m，工作面可采儲量738萬t，原始瓦斯含量為10.87 m3/t，原始瓦斯壓力0.52 MPa，3號煤層最大殘余瓦斯含量為7.021 6 m3/t，絕對瓦斯涌出量為28.2 m3/min，相對瓦斯涌出量5.728 0 m3/t。工作面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機械化采煤法，采用MGTY400/930-3.3D型雙滾筒采煤機，滾筒截深0.8 m。

2 瓦斯治理措施應用

高瓦斯礦井綜放工作面的瓦斯治理難度很大，因此在治理工作開展前，要有明確的目的性及針對性，在施工過程中嚴抓技術管理和施工管理。

2.1 掘進期間瓦斯治理

N1105工作面掘進期間瓦斯治理措施主要有，鄰近巷道區域預抽、邁步鉆場邊掘邊抽、施工迎頭釋放孔、迎頭鉆孔預抽[3-5]。

（1）N1105回順施工臨巷預抽鉆孔。在所有符合鄰近巷道預抽條件的地點，均需采取鄰巷預抽措施，實現超前瓦斯治理。即利用現有巷道向鄰近巷道施工順層鉆孔對后掘巷道進行掘前預抽，降低后掘巷道的煤層瓦斯含量，實現巷道的快速掘進。

（2）N1105掘進工作面進行邁步鉆場邊掘邊抽。鉆孔施工參數：邁步鉆場鉆孔設計深度130 m，鉆頭直徑120 mm，呈平面扇形布置。邁步鉆場鉆孔6個，成三排兩列布置，鉆場內有2個鉆孔作為超前探。除工作面膠帶順槽回采側鉆場為內寬4 m、外寬6 m、深5 m、與巷道等高的等腰梯形鉆場外，其余地點邁步鉆場規格均為內寬4 m、外寬6 m、深4 m、高3 m的等腰梯形鉆場。N1105掘進工作面邁步鉆場鉆孔設計如圖1所示。

圖1 N1105掘進工作面邁步鉆場鉆孔設計Fig.1 Drilling design of N1105 heading face step drilling field

（3）N1105掘進工作面施工迎頭釋放孔。利用檢修班對掘進工作面迎頭打設釋放孔，可以避免煤體瓦斯在生產期間的集中釋放，降低掘進工作面生產期間的瓦斯涌出量。釋放孔施工參數，釋放孔施工鉆頭直徑65 mm，孔深15 m。釋放孔按1.4個/m2均分4排進行布置，各排開孔高度分別為1、1.6、2.2、2.8 m，與煤層夾角分別為0、3、7、10°，以控制煤層全厚。N1105掘進工作面釋放孔設計如圖2所示。

圖2 N1105掘進工作面釋放孔設計Fig.2 Release hole design of N1105 heading face

（3）迎頭預抽鉆孔。巷道迎頭共施工15個鉆孔，鉆孔成3排5列布置，排間距0.4 m，各排鉆孔開孔高度分別為1.4、1.8、2.2 m，并按列間距1 m居中布置，孔深150 m。巷道沿底板掘進時，6、9、12號鉆孔兼做地質超前探鉆孔使用，沿頂板掘進時4、7、10號鉆孔兼地質超前探鉆孔使用。鉆孔施工時，先施工地質超前探鉆孔，然后按鉆孔編號順序依次施工其余鉆孔。巷道開口前或瓦斯異常區需采取迎頭預抽鉆孔進行抽采。N1105工作面迎頭預抽鉆孔設計如圖3所示。

圖3 N1105工作面迎頭預抽鉆孔設計Fig.3 Design of N1105 face pre-pumping borehole

2.2 回采期間瓦斯治理

N1105工作面回采期間瓦斯抽采治理措施主要有，順層鉆孔采前預抽、切眼頂板釋放孔、高抽巷抽采、鉆場裂隙帶抽采、采空區長立管埋管瓦斯抽采等［6-8］。

（1）順層鉆孔采前預抽。所有掘進巷道符合條件的地點布置順層鉆孔對工作面進行超前預抽，使工作面安全高效回采。順層鉆孔采前預抽可以減小掘進巷道的瓦斯涌出量，還可以降低覆蓋范圍煤體的瓦斯含量。順槽內的采前預抽鉆孔施工范圍為停采線至切眼外20 m，采用三花眼方式布置，間距2.5 m，鉆孔在工作面內交叉15 m，孔深為155 m。每組鉆孔施工時，要安裝放水器進行放水，每個鉆孔都要安裝截止閥和測壓嘴。鉆孔不成孔時，需及時進行補孔。如地質構造等情況導致不成孔，需在工作面回采前用水鉆進行補孔，消除空白帶。N1105工作面順層鉆孔采前預抽孔設計如圖4所示。

圖4 N1105工作面順層鉆孔采前預抽鉆孔布置Fig.4 Arrangement of pre-pumping borehole before mining for bedding borehole on N1105 working face

（2）切眼頂板釋放孔。在N1105切眼頂板布置瓦斯釋放孔，不但能解決N1105工作面初采時瓦斯涌出情況，同時也有利于初采時切眼處頂板的垮落。N1105切眼頂板釋放孔施工采用錨桿鉆機，垂直打入煤層頂板，頂板釋放孔深3 m，孔徑為φ28 mm，鉆孔共計11016個。N1105切眼頂板布置如圖5所示。

圖5 N1105工作面切眼頂板布置Fig.5 Layout of open-cut roof of N1105 working face

（3）高抽巷抽采。綜采工作面采空區瓦斯涌出量較大，為了解決采空區瓦斯治理難題，該礦采用高抽巷抽采的瓦斯治理模式，主要目的是截流采空區涌向工作面的瓦斯，以減小上隅角、后溜及回風流的瓦斯濃度。在N1105高抽巷安裝2趟φ630瓦斯管，通過北風井2號總回風巷內φ800低負壓瓦斯管合口，帶抽工作面回采時高抽巷內涌出的瓦斯，連接處均需加1個φ630蝶閥，方便抽采系統的管理。φ630瓦斯管路敷設在錨桿+槽鋼的吊架上，每5 m需2個吊點。N1105高抽巷瓦斯抽采管路布置如圖6所示。

圖6 N1105高抽巷瓦斯抽采管路布置Fig.6 Layout of gas extraction pipeline in N1105 high drainage roadway

（4）裂隙帶鉆場鉆孔抽采。N1105工作面均為放頂煤作業，采空區冒落后，瓦斯通過采空區上部巖層冒落帶進入巖石裂隙。采用膠順裂隙帶鉆場鉆孔將采空區、裂隙帶這部分瓦斯抽出，減少回采作業時采空區瓦斯向切眼涌出。單U型工作面由于回順裂隙帶的鉆孔層位與高抽巷層位重合，單U型工作面僅保留膠順裂隙帶鉆孔。每個鉆場側面布置兩排鉆孔，共12個鉆孔都為裂隙帶鉆孔。膠順裂隙帶鉆孔控制工作面距膠順30～100 m，控制煤層頂板上方30 m的范圍。N1105工作面裂隙帶鉆場鉆孔設計如圖7所示。

圖7 N1105工作面裂隙帶鉆場鉆孔設計Fig.7 Borehole design of drilling field in fractured zone of N1105 working face

（5）上隅角懸管抽采瓦斯。綜采隊組對端尾老塘進行封堵，在回順最后一節φ400 mm瓦斯管末端安裝1根5 m長φ400 mm高壓螺旋可壓縮彎曲膠管，在膠管末端在安裝1根2.5 m長φ400 mm瓦斯管。膠管末端安裝的瓦斯管深入封堵墻1.8 m，深入部分打設篩眼并安裝過濾網，防止掉落的碎煤吸入管內。隨著工作面的推進，隨時壓縮φ400 mm高壓螺旋可壓縮彎曲膠管，φ400 mm末端管必須吊掛整齊，不得影響上隅角探頭吊掛。φ400 mm末端管無法壓縮，影響帶抽上隅角時，綜采隊組及時回收最后1節φ400 mm瓦斯管，并將φ400 mm高壓螺旋可壓縮彎曲膠管安裝到位，N1105工作面上隅角瓦斯抽采管路安裝如圖8所示。

圖8 N1105工作面上隅角瓦斯抽采管路安裝Fig.8 Installation of gas drainage pipeline at the corner of N1105 working face

3 瓦斯抽采效果分析

（1）抽采時間。

回風順槽預抽鉆孔施工從2017年6月開始施工抽采鉆孔，到2019年3月完成工作面全部預抽鉆孔的施工及并網預抽工作。膠帶順槽預抽鉆孔施工從2017年3月隨巷道掘進開始施工抽采鉆孔，到2019年1月完成工作面全部預抽鉆孔的施工及并網預抽工作。

（2）瓦斯抽采量。

N1105工作面原始瓦斯含量為10.87 m3/t，工作面煤層瓦斯儲量為550.4萬t×10.87 m3/t=5 982.85萬m3，抽采達標（煤層殘余瓦斯含量小于7.039 7 m3/t）后瓦斯儲量550.4萬t×7.039 7 m3/t=3 874.7萬m3，應抽采瓦斯量為2 108.15萬m3。

N1105工作面本煤層預抽鉆孔于2017年3月1日開始施工，于2019年3月7日竣工，期間累計抽采300～1 036 d，平均抽采668 d，抽采瓦斯量2 606.8萬m3，日抽采瓦斯量為3.9萬m3，滿足計劃日常量7 900 t/d瓦斯抽采達標要求。

4 結語

根據余吾煤業N1105工作面煤層賦存條件、地質構造、打鉆異常情況，在工作面掘進以及回采期間分別針對性的采取相應的瓦斯治理措施，經分析評判N1105工作面瓦斯抽采基礎條件滿足抽采設計以及施工要求，瓦斯抽采鉆孔控制范圍、抽采鉆孔均勻程度滿足評判達標要求且抽采鉆孔空白區域采區相對應的補充措施，保證瓦斯抽采效果評判合格，N1105工作面計算及實測煤層最大殘余可解吸瓦斯含量分別為4.952 1 m3/t、4.992 0 m3/t，且均小于5.0 m3/t，工作面日產600 1～8 000 t瓦斯抽采達標。