綜采工作面瓦斯綜合治理技術應用

姚美紅

（山西沁和能源集團南凹寺煤業有限公司，山西 晉城 048000）

南凹寺煤業開采的3#煤層具有自然發火傾向，30401綜采工作面在回采期間上隅角經常出現瓦斯積聚造成瓦斯超限，采用埋管的方式對工作面采空區瓦斯進行抽采時，容易在工作面采空區內形成負壓區，導致工作面的風量有一部分向采空區內流動，造成采空區漏風量增大，增加了工作面采空區內遺落的煤炭發生自然發火的危險性。為有效防止工作面出現瓦斯超限和采空區內遺煤發生自燃現象，根據工作面煤層、瓦斯地質情況及瓦斯治理技術水平，研究制定并實施工作面瓦斯綜合治理方案，保障了工作面安全回采。

1 工程概況

30401綜采工作面位于南凹寺煤業四采區東翼下段，工作面西靠三采區軌道運輸巷，東至礦井井田邊界，南部和北部為礦井未開采區域（工作面布置如圖1）。工作面設計走向長1128 m，切眼斜長200 m。工作面主采15#煤層，煤層厚度2.2～3.7 m，平均3.3 m，煤層傾角6°～12°，平均9°。煤層頂板巖性為砂質泥巖夾薄層細砂巖，底板巖性為砂質泥巖。工作面煤層自燃傾向等級為Ⅱ類，屬于自燃煤層。工作面采用U型上行通風方式，即下順槽進風，上順槽回風。工作面煤層瓦斯地質參數見表1。根據相鄰已回采工作面煤層瓦斯涌出量情況，預計30401工作面絕對瓦斯涌出量為42 m3/min。

表1 30401工作面煤層瓦斯地質參數

圖1 30401工作面平面布置圖

2 工作面瓦斯綜合治理技術

2.1 本煤層順層鉆孔抽采

根據30401工作面煤層賦存情況，在工作面上下順槽距切巷不少于50 m位置向外布置施工順層鉆孔，鉆孔呈單排方式布置，沿垂直工作面走向方向施工，鉆孔開孔位置距巷道底板1.5～1.8 m，孔深不低于110 m，孔間距2.4 m，鉆孔直徑94 mm，上下順槽施工的鉆孔相互交叉長度不低于10 m。鉆孔布置如圖2。

圖2 30401工作面上下順槽順層鉆孔布置示意圖（m）

2.2 高位鉆孔抽采

采用高位鉆孔抽采工作面采空區瓦斯主要有兩種布置方式[1-6]，一種方式是在工作面順槽內施工高位鉆場，在鉆場內向工作面采空區方向施工改為鉆孔進行抽采；一種是直接在順槽內沿巷幫位置施工高位鉆孔抽采瓦斯。

2.2.1 鉆場內高位鉆孔抽采

在30401工作面回風順槽內沿走向方向每間隔60 m施工一個頂板高位鉆場，鉆場開口方向垂直于巷幫，鉆場寬3.6 m，高3.0 m，深4.8 m，采用錨網索支護。鉆孔布置在鉆場右幫，每個鉆場設計布置上下2排鉆孔，每排4個鉆孔，每排鉆孔開孔位置孔間距為0.6 m，其中下排鉆孔開孔位置距巷道底板1.6 m，上排鉆孔距巷道底板1.8 m，鉆孔設計深度120 m，直徑94 mm。鉆孔呈扇形布置，終孔位置距工作面煤層頂板24～45 m。鉆孔布置如圖3，施工參數見表2。

表2 鉆場高位鉆孔施工參數

圖3 30401工作面上順槽鉆場高位鉆孔布置示意圖

2.2.2 巷旁高位鉆孔抽采

在30401工作面回風順槽內距切巷50 m向外開始每間隔60 m施工一組巷旁高位鉆孔，每組設計布置10個鉆孔，上下兩排布置，每排施工5個，鉆孔排距0.5 m，上排孔開孔位置距巷道底板1.8 m，下排孔開孔位置距巷道底板1.6 m，孔深120 m，孔徑94 mm，鉆孔終孔位置距煤層頂板15～45 m，進入到工作面距離為33～78 m。巷旁高位鉆孔布置如圖4，鉆孔施工參數見表3。

表3 巷旁高位鉆孔施工參數

圖4 30401工作面上順槽巷旁高位鉆孔布置示意圖

2.3 上隅角埋管抽放

2.3.1 確定工作面采空區自燃三帶范圍

30401綜采工作面主采的15#煤層屬于自燃煤層，具有自然發火傾向。為抑制采空區遺煤自燃，工作面上隅角采用埋管抽放瓦斯時要盡量達到以下要求[7-8]：（1）減小上隅角瓦斯積聚濃度，防止上隅角瓦斯超限；（2）工作面回采期間使用煤袋在上隅角建設密閉墻，并使用黃泥對煤袋及埋管周圍縫隙進行填塞，保證上隅角采空區密閉性，減少埋管時上隅角采空區漏風量，防止采空區遺煤出現氧化自燃。根據礦井綜采工作面上隅角以往埋管抽放情況，插入到采空區內抽采管長度越長，抽采的瓦斯濃度越高，瓦斯抽采量也越大，但是在降低上隅角瓦斯濃度方面效果不是很明顯。一般上隅角插管進入采空區內5～30 m范圍內均能夠起到降低上隅角瓦斯濃度的效果，當超過30 m后，瓦斯抽采量明顯增大，但上隅角瓦斯濃度降低效果不明顯。

為能夠掌握工作面采空區內自燃三帶范圍，在工作面初采期間就開始利用束管監測系統對工作面采空區內產生的氣體主要成分進行監測。根據自燃三帶劃分標準[9-10]（見表4）及采空區內氣體成分監測結果，確定30401綜采工作面采空區自燃三帶劃分的范圍為散熱帶0～27 m，氧化自燃帶27～68 m，窒息帶在68 m以后。據此可知，將上隅角埋管深度控制在27 m以內能夠有效防止因埋管造成采空區遺煤發生自燃問題。在對30401工作面上隅角采取埋管抽放措施時，控制埋管深度在5～20 m范圍內效果最佳。

表4 采空區自燃三帶劃分標準

2.3.2 上隅角埋管布置方式

在對上隅角進行埋管抽放初期，埋管布置方式為單管布置，由于受現場條件及施工條件制約，不能夠保證埋管位置一直處于上隅角采空區5～20 m范圍內。經過多次摸索試驗，確定采用錯位埋管布置方式對上隅角采空區瓦斯進行抽放，即在上隅角采空區內鋪設兩趟抽采管路，兩趟管路開口位置相距20 m，在每趟管路上間隔10 m設置一個三通閥門。抽采上隅角采空區內瓦斯時，先將埋入最深的一趟管路打開，當該趟管路進入采空區20 m以后，關閉第一趟管路并抽出，打開另一趟抽采管路進行抽放瓦斯，始終確保抽采管的端口在采空區5～20 m范圍內，實現循環交替抽放上隅角瓦斯，并減少了材料消耗。工作面上隅角抽采管路布置圖如圖5。

圖5 30401工作面上隅角埋管布置示意圖（m）

3 應用效果分析

工作面采取綜合瓦斯治理措施后，分別對本煤層抽采、高位鉆孔抽采、上隅角埋管抽采瓦斯的抽采量、純量、濃度進行計量統計，結果如表5。

表5 30401工作面瓦斯抽采情況統計

30401工作面生產期間監測的工作面上隅角和回風巷瓦斯濃度變化曲線圖如圖6。采取上述瓦斯綜合治理技術后，工作面回采期間回風巷及上隅角瓦斯濃度一直低于0.5%，未發生過瓦斯超限事故。

圖6 30401工作面上隅角瓦斯濃度變化曲線圖

采用錯位埋管布置方式對上隅角采空區瓦斯進行抽放后，通過安裝在抽采管路上CO傳感器對采空區內的CO濃度監測，在工作面回采期間CO傳感器監測的數據始終為零，通過人工現場對上隅角CO進行測量，也始終未檢測到CO。由此說明采空區瓦斯綜合治理措施不會造成工作面采空區遺煤發生氧化自燃。工作面日產量也由原來2000 t/d提高到3000 t/d，工作面實現了安全高效生產。

4 結語

（1）工作面上隅角出現瓦斯積聚超限是制約30401工作面安全高效回采的主要因素，為了保證工作面安全高效生產，采取本煤層順層鉆孔抽放技術降低了工作面煤層中瓦斯含量，減少回采期間煤層中瓦斯集中涌出量，采取高位鉆孔抽采和上隅角埋管抽放技術對工作面采空區內的瓦斯進行抽采，有效降低了采空區內瓦斯濃度，減少了采空區瓦斯涌出量，解決了上隅角瓦斯積聚超限問題。

（2）對采空區內氣體成分監測結果及采空區自燃三帶劃分標準進行分析，確定30401綜采工作面采空區自燃三帶劃分的范圍分別為散熱帶0～27 m，氧化自燃帶27～68 m，窒息帶在68 m以后。為保證上隅角瓦斯抽采效果，同時減少采空區漏風量，確定上隅角埋管深度為5～20 m，并采用錯位埋管布置方式對上隅角進行埋管抽放。

（3）現場應用實踐結果表明，工作面采取瓦斯綜合治理措施以后，上隅角及回風巷瓦斯濃度控制在0.5%以下，工作面回采期間未發生瓦斯超限現象，且采空區內未發生遺煤自燃現象，實現了安全高效生產。