綜放開采工作面回風隅角瓦斯治理技術研究

魏世建

（山西汾西宜興煤業有限責任公司， 山西 孝義 032300）

采煤工作面采用U 型通風方式時，在回風隅角位置容易引起瓦斯集聚，嚴重時導致瓦斯超限或者瓦斯爆炸等問題[1-2]。為此，眾多學者對回風隅角位置瓦斯治理技術展開研究，并主要從瓦斯抽采、通風調節等兩方面提出瓦斯治理措施[3-6]。為降低采面回采期間瓦斯涌出，一般需要對本煤層瓦斯進行預抽，采用的本煤層抽采鉆孔無法降低鄰近層或者采空區裂隙瓦斯含量，同時鉆孔瓦斯抽采期間若出現塌孔時則會影響瓦斯抽采效果[7-8]。綜放開采具備開采強度大、煤炭產量高等特點，但是回采期間煤層瓦斯涌出量更大，雖然通風風量有所增加，但是在回風隅角位置瓦斯更易集聚，為此文中以3105 綜放工作面回風隅角瓦斯治理為背景，在對回風隅角瓦斯超限原因分析基礎上，提出針對性治理技術，以期為采面煤炭高效回采創造安全環境。

1 工程概況

3105 綜放工作面位于南翼采區中部，開采3 號煤層，該層煤賦存穩定，煤層厚度均值4.8 m，傾角8°，頂底板巖性以穩定的泥巖、細砂巖以及炭質泥巖等為主。3105 綜放工作面設計推進長度890 m、斜長190 m，采面南側為回采完畢超過8 個月的3103 采空區，西側為通風聯絡巷，北側為實體煤，南側為采區輔助回風巷。

3 號煤層埋深均值460 m，瓦斯含量介于6.9～8.7 m3/t，3105 綜放工作面回采期間絕對瓦斯涌出量10.9 m3/min。

2 回風隅角瓦斯聚集原因分析

2.1 采面瓦斯治理現狀

回采前在回采巷道巷布置順層鉆孔預抽煤層瓦斯，布置的鉆孔孔深、孔徑分別為92 m、75 mm。在瓦斯抽采巷內布置低瓦斯抽采管路，管路孔徑分別為400 mm、300 mm，抽采管路分別與通過聯絡巷抽采采空區、回風隅角處瓦斯。對采面瓦斯抽采情況進行分析，發現本煤層鉆孔抽采混量均值為140 m3/min、濃度介于48%～63%；回風隅角布置的直徑300 mm 低瓦斯抽采管流量均值為48.5 m3/min、濃度1.59%；采空區直徑400 mm 抽采管流量58.8 m3/min、濃度4.72%。

3105 綜放工作面設計的風量為1 550 m3/min，采面在初期回采期間瓦斯涌出正常，回風巷及回風隅角瓦斯濃度分別在0.35%、0.49%以內。采面推進至480 m 位置時，回風隅角瓦斯出現瓦斯增高跡象，瓦斯濃度最高達到0.78%，存在有較大的瓦斯超限風險，后采取停采、強化通風等方式將回風隅角瓦斯濃度降至0.5%以內；在后續回采過程中回風隅角瓦斯濃度不同程度出現明顯增高問題，在一定程度制約礦井煤炭高效回采。

2.2 瓦斯集聚分析

通過現場分析發現，導致3105 綜放工作面回風隅角位置瓦斯超限的主要原因是采空區內瓦斯涌出，瓦斯涌出較大受鄰近采空區裂隙瓦斯涌出以及采空區原有埋管抽采效率低導致。

1）采空區埋管抽采效率低。在采面采空區布置管徑400 mm 瓦斯抽采管，受抽采長度大、負壓低以及采空區瓦斯抽采時阻力大等因素影響，采空區瓦斯抽采效果不佳。特別是采空區頂板來壓、垮落壓縮采空區空間，導致采空區瓦斯涌出增加。

2）裂隙瓦斯涌出影響。3105 綜放工作面南側為3103 采空區，留設保護煤柱寬度為25 m，在3105 運輸巷布置窺視鉆孔探測發現，煤柱裂隙以及采空區頂板裂隙發育，3103 采空區與3105 采空區間存在有貫通裂隙，從而導致3103 采空區內部分瓦斯向3105 采空區涌出，增大采空區內瓦斯濃度。

3 回風隅角瓦斯治理技術

依據采面現場實際情況，提出綜合采用大直徑鉆孔抽采、高位鉆孔抽采技術，通過對采空區瓦斯以及裂隙瓦斯涌出攔截，降低回風隅角瓦斯濃度。

3.1 大直徑鉆孔抽采

大直徑鉆孔是使用大直徑螺旋轉機向煤柱上施工大直徑鉆孔，在孔內裝入套管，并與瓦斯抽采管理連接。隨著采面推進，大直徑鉆孔進入到采空區內可實現采空區瓦斯抽采。由于大直徑鉆孔間距小、鉆孔孔徑大，可有效攔截采空區涌出瓦斯。在3105 綜放工作面布置的大直徑鉆孔采用ZDY4000S 液壓鉆機施工，開孔位置位于瓦斯巷煤柱上，開孔距離底板1.2 m，鉆孔按照25°仰角施工，孔深10 m、間隔5 m/孔徑500 mm，具體布置見圖1 所示。大直徑鉆孔施工完成后，孔內下放管徑480 mm 瓦斯抽采軟管，并將抽采軟管與瓦斯巷內瓦斯抽采管路進行連接。采空區瓦斯采范圍集中在采面后方5～20 m。

圖1 大直徑鉆孔布置示意圖

3.2 高位鉆孔抽采（見圖2）

圖2 高位鉆孔布置示意圖（mm）

將高位鉆孔布置在回風巷實體煤壁位置，鉆孔布置形狀為梯形，鉆孔深度4.0 m、高度3.5 m，鉆孔內口、外口長度分別為3.0 m、5.0 m。第一個鉆場距離采面切眼150 m，厚度間隔100 m 布置鉆場。在每個鉆場內布置3 個高位瓦斯抽采鉆孔，鉆孔開孔距離鉆場底板1.5 m，孔深均為120 m，鉆孔水平角分別為10°、20°、30°，控制靠近采空區靠近回風巷20～60 m 范圍，終孔層位位于煤層頂板上覆15～20 m 位置。鉆孔施工完成后即進行瓦斯預抽，從而降低裂隙瓦斯涌出。

3 瓦斯治理效果

3.1 瓦斯抽采效果

3.1.1 大直徑鉆孔抽采效果

在3105 綜放工作面采用大直徑鉆孔抽采采空區瓦斯，并適當提高鉆孔抽采負壓。通過抽采后，采空區瓦斯濃度以及向回風隅角瓦斯涌出量明顯降低。具體大直徑鉆孔瓦斯抽采情況見圖3 所示。

圖3 大直徑鉆孔瓦斯抽采統計結果

傳統的聯絡巷埋管抽采采空區瓦斯時，抽采混量、濃度、抽采純量為58.8 m3/min、2.78 m3/min、4.72%。從上3 圖看出，與傳統的聯絡巷埋管抽采相比，大直徑鉆孔瓦斯混量、抽采濃度以及純量均有所增加，其中抽采混量平均增加至102 m3/min、抽采濃度增加至7.1%、抽采純量增加至7.242 m3/min，采空區瓦斯抽采純量增幅達到261%，瓦斯涌出攔截效果顯著。

3.1.2 高位瓦斯抽采效果

在采面回風巷布置高位鉆孔對采空區裂隙瓦斯進行預抽。對鉆場內高位鉆孔抽采情況進行統計，發現鉆孔抽采負壓穩定在10～13 kPa，抽采濃度、純量穩定在9.7%、1.35 m3/min，通過高位鉆孔抽采可有效降低裂隙瓦斯涌出。

3.2 回風隅角瓦斯治理效果

在3105 綜放工作面綜合使用大直徑鉆孔、高位鉆孔對瓦斯抽采后，可有效攔截采空區及裂隙內瓦斯向回風隅角涌出量。現場應用后，大直徑鉆孔、高位鉆孔瓦斯抽采純量穩定在7.242 m3/min、1.35 m3/min，抽采效果較傳統的埋管抽采方式明顯增強。對回風隅角瓦斯濃度進行持續監測，在后續回采期間回風隅角瓦斯濃度均控制在0.5%以內。

4 結論

綜放開采可顯著提高礦井煤炭生產效率，煤炭開采強度增加會增大瓦斯涌出以及采空區內遺煤量，回風隅角位置容易積聚，嚴重時會出現瓦斯超限或者其他安全事故。對3105 綜放工作面回風隅角瓦斯集聚原因進行分析，發現通風影響下采空區、裂隙瓦斯會經回風隅角涌出，導致回風隅角瓦斯濃度偏高。

針對原采用的采空區埋管抽采量偏低、回風隅角瓦斯治理效果不佳問題，綜合采用大直徑鉆孔、高位鉆孔方式對采空區及頂板裂隙瓦斯進行預抽。現場應用后，采面后續回采過程中回風隅角瓦斯濃度均控制在0.5%以內，未出現明顯增加情況，表明現場采用的回風隅角瓦斯治理措施取得較好效果。