31051綜采面瓦斯綜合治理技術應用

程立華

（同煤集團忻州窯礦，山西 大同 037000）

我國井工礦井采深每年以10～20 m 的速度向深部延伸[1-2]。隨著井工煤礦采深增加，煤層原始瓦斯含量逐步增高，造成工作面絕對瓦斯涌出量增高；另因工作面多采用U 型通風，對瓦斯治理多采用風排瓦斯治理方案，導致回風隅角易存在瓦斯聚積。此外，礦井采空區頂板管理現階段多采用直接垮落法，上覆巖層從上到下依次為彎曲下沉帶、裂隙帶以及垮落帶，在裂隙帶內發育有縱橫交錯的裂隙[3-5]，裂隙內存在瓦斯聚積，在工作面頂板來壓期間，易造成大量瓦斯涌出，給工作面安全生產帶來威脅。因此，以王莊煤礦31051 綜采工作面瓦斯抽采為例，對采空區頂板裂隙帶及工作面回風隅角瓦斯進行抽采設計，通過針對性抽采措施實現瓦斯有效治理，保障工作面安全生產。

1 工作面概況

王莊煤礦31051 工作面位于31 采區中部，工作面走向可采長度492 m，傾向長度183 m，平均埋深651～683 m，主采3 號煤層，均厚4.3 m，煤層傾角8°～15°，工作面下部為31051 運輸順槽，上部為31051 回風順槽，北鄰31071 已采工作面，南鄰31031 未采工作面，東鄰礦井井田邊界，西鄰31 采區三條上山（軌道運輸上山、膠帶運輸上山、回風上山）。31051 工作面原始瓦斯含量4.38 m3/t，可解析瓦斯含量1.76 m3/t，工作面為全負壓U 型通風。

2 瓦斯抽采系統布置方案設計

根據31051 工作面原始瓦斯含量、可解析瓦斯含量及全負壓風量情況，設計采用高位鉆孔頂板裂隙帶抽采+回風隅角埋管抽采方案進行瓦斯綜合治理。31051 綜采面平面布置及抽采系統布置見圖1。

圖1 31051 綜采面平面布置及抽采系統布置

3.1 抽采管路布置

31051 工作面瓦斯抽采管路均布置于31051工作面回風順槽內，共布置2 趟抽采管路，管路直徑為400 mm，材質為鍍鋅螺旋焊接鋼管，一趟用于頂板裂隙帶高位鉆孔瓦斯抽采，一趟用于工作面上隅角埋管抽采。管路系統布置設計如下：

（1）高位鉆孔抽采管路布置：自31 采區瓦斯抽采硐室2 號瓦斯抽采泵（抽采負壓15 kPa）接出，管路經31 采區回風上山進入31051 回風順槽，管路末端在31051 回風順槽8 號高位鉆場口處。該管路鋪設途中，需在每個高位鉆場口處安設一個三通，并在三通出口轉接一個不少于7 孔的集流器，用于連接高位鉆場內的抽采軟管。

（2）回風隅角抽采管路布置：自31 采區瓦斯抽采硐室3 號瓦斯抽采泵（抽采負壓10 kPa）接出，管路經31 采區回風上山進入31051 回風順槽，管路末端在31051 切巷向外10～20 m處，管路末端連接一個特制集流器，集流器上有4 個外徑為150 mm 且含截止閥的軟管連接口，通過軟管連接口，采用4 根Φ150 mm 的瓦斯抽采軟管延接至工作面上切口，用于工作面上隅角瓦斯抽采。

（3）管路放水器設置：兩趟抽采管路均要求在巷道低洼處安裝一個負壓放水器，用于管路積水的收集及排放。

（4）管路吊掛要求：在31051 回風順槽巷道北幫每隔3 m 施工一根抽采管路專用吊掛錨桿，采用直徑為12 mm 的鋼絲繩吊掛，吊掛鋼絲繩穿過一根內徑為14 mm、厚度為3 mm、長度為800 mm 的黑皮軟管，用于鋼絲繩與抽采管路接觸面間的襯墊，每根吊掛鋼絲繩采用2 個繩卡固定，吊掛點間距為3 m。

3.2 頂板裂隙帶高位鉆孔抽采方案設計

高位鉆場的作用主要是為高位鉆孔施工提供作業空間和滿足高位鉆孔的施工層位條件，同時作為后期頂板裂隙帶瓦斯集中抽采的作業場所。31051 回風順槽共設計8 個高位鉆場，鉆場間距為60 m，鉆場位置為回風順槽北幫（工作面側），鉆場開口即按+15°施工，斷面寬×高=3 m×3 m，施工至鉆場底板距離煤層頂板2 m 位置時施工坡度變更為0°，開始施工鉆場平臺，平臺深度5 m，寬度4.5 m，高度3.2 m。

（1）高位鉆孔參數設計

高位鉆孔施工位置為各個高位鉆場內，開孔位置均為鉆場平臺東幫（對應回采工作面方向），每個高位鉆場內設計7 個鉆孔，開孔位置間距均為0.8 m。鉆孔設計深度按垂直投影均為100 m，終孔間距按水平投影均為4 m，7 個鉆孔按施工方位呈扇形布置，靠近回風順槽側的1 號鉆孔終孔距離回風順槽的水平投影距離設計為8 m（防止回風順槽裂隙漏風）。根據王莊煤礦煤層厚度、上覆巖層性質計算垮落帶高度為10.5 m，裂隙帶高度為14.5 m，鉆孔終孔位置均布置在預計回采垮落后的頂板裂隙帶內。鉆孔傾角按照工作面走向傾角需進行統一調整，下表中鉆孔傾角為工作面走向傾角按0°計算時的設計。鉆孔設計具體參數見表1，鉆孔平面布置見圖2，鉆孔剖面及開啟控制見圖3。

圖2 高位鉆孔設計平面布置

表1 31051 工作面裂隙帶高位鉆孔施工參數設計

根據31051 工作面初采頂板垮落經驗，初采期間頂板垮落步距為15 m，頂板裂隙帶內的高位鉆孔只有在頂板垮落后才會發揮作用，故在距離初采工作面最近的8 號高位鉆場內施工頂板裂隙帶高位鉆孔時，將8 號鉆場內的所有高位鉆孔按設計孔深減少30 m，同時傾角增大5°（見圖3），可保證高效抽采的同時又避免了鉆孔工程量的浪費。

（2）頂板裂隙帶高位鉆孔抽采方案

高位鉆場內鉆孔全部施工完畢后，采用Φ75 mm 的抽采軟管將各個鉆孔分別連接至鉆場口處的集流器上，并在集流器上進行對應編號管理，抽采軟管連接完畢后可將高位鉆場在鉆場口密閉。工作面開始回采后，初采至直接頂大面積垮落后，開啟8 號鉆場內的所有高位鉆孔進行頂板裂隙帶瓦斯抽采，回采25 m 后，開啟7 號鉆場內的所有鉆孔，同時關閉8 號鉆場內所有鉆孔，回采85 m 后開啟6 號鉆場內所有鉆孔，同時關閉7 號鉆場內的所有鉆孔，依次向外循環開啟、關閉，循環間距60 m，保證對頂板裂隙帶瓦斯實現連續抽采。鉆場內鉆孔開啟、關閉控制方案見圖3。

圖3 高位鉆孔剖面及鉆孔開啟控制

3.3 工作面回風隅角埋管抽采方案

工作面回采期間，因回風隅角頂板受煤體支撐未及時垮落形成空區，工作面上行通風易在該空區聚積瓦斯，為避免該空區瓦斯大量聚積并溢出造成瓦斯超限，回采期間需及時采取垛煤袋法將回風隅角空區隔離，并埋管抽采回風隅角瓦斯，埋管及抽采方案如下：

（1）回風隅角埋管方案：從回風順槽瓦斯抽采管上接出的4 根瓦斯抽采軟管末端距離工作面回風隅角分別為5 m、7.5 m、10 m、12.5 m，采用迎頭1 根接通上隅角所埋管路，回風隅角埋管管路采用Φ150 mm 的鋼管，鋼管長度2.5 m，每3 根鋼管接一根特制鋼管，特制鋼管中部加工有一根豎管，豎管為打孔花管，豎管高度掉入煤或矸石堵塞豎管，埋管靠巷幫底板放置，豎管采用鐵絲固定至巷幫。

（2）抽采方案：工作面回采期間，及時將回風隅角空區采用垛煤袋方式隔離，并開啟接通埋管的抽采軟管（距上隅角5 m 處管路），其余三根抽采軟管關閉備用。工作面每回采2.5 m，將埋管向外延接，并將埋管接口接至距回風隅角7.5 m 處管路，并將原5 m 處抽采軟管向外撤，依次向外循環，直至埋管接口接至距回風隅角12.5 m 處抽采軟管后，將回風順槽瓦斯抽采管向外拆除10 m，實現所有軟管外移，如此向外循環實施埋管抽采。

表2 31051 工作面7日瓦斯涌出量檢測及計算結果

3 工作面瓦斯抽采量統計

經頂板裂隙帶高位鉆孔及回風隅角埋管聯合抽采，31051 工作面未發生回風隅角瓦斯超限現象，風排瓦斯量符合要求，實現了工作面正常生產。作者統計了生產期間7日產量、頂板裂隙帶高位鉆孔瓦斯抽采量、回風隅角埋管瓦斯抽采量，并根據統計結果對相對瓦斯涌出量、絕對瓦斯涌出量、風排瓦斯量進行了計算。統計及計算結果見表2。

從表2可以看出，采用瓦斯綜合治理措施后，在平均日產量7 990.9 t 情況下，工作面絕對瓦斯涌出量平均值為9.1 m3/min，通過頂板裂隙帶高位鉆孔抽采出瓦斯純量平均值為4.37 m3/min，通過回風隅角埋管抽采出瓦斯純量平均值為2.45 m3/min，風排瓦斯量平均值為3.58 m3/min，風排瓦斯量有效降至5 m3/min 以下。

4 結語

通過對王莊煤礦31051 工作面采取頂板裂隙帶高位鉆孔抽采及上隅角埋管抽采的瓦斯綜合治理方式，有效解決31051 工作面因絕對瓦斯涌出量較高導致的回風隅角瓦斯濃度超限及風排瓦斯量超過相關規定的問題，將風排瓦斯量有效降至5 m3/min 以下，未發生過回風隅角瓦斯超限事故，實現了瓦斯有效治理，保障工作面安全生產。