綜采工作面瓦斯綜合治理技術(shù)研究

孟雪敏

（晉能控股集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037000）

瓦斯作為威脅礦井安全生產(chǎn)的重要制約因素，由于瓦斯賦存與流動(dòng)不具有固定的規(guī)律性，瓦斯防治困難重重。目前，多數(shù)礦井采取的措施包括施工頂?shù)装孱A(yù)抽巷進(jìn)行穿層鉆孔消突，本煤層施工順層鉆孔消突，順層與穿層形成空間網(wǎng)格化消突等。此外，針對(duì)采煤工作面常采用高位鉆孔+高位鉆場(chǎng)+上隅角埋管抽放等方式進(jìn)行瓦斯管理，根據(jù)不同煤層厚度與煤層、巖層裂隙發(fā)育程度以及煤層透氣性等物理特征采取多種手段進(jìn)行瓦斯抽放[1-4]，從而達(dá)到預(yù)期的治理效果。

1 工作面概況

挖金灣煤業(yè)公司8101 工作面主采4#煤層，工作面位于一盤區(qū)的西翼北部，其南部為一盤區(qū)的北回風(fēng)巷和主運(yùn)輸巷，東翼相鄰5103 巷，北西部為未采區(qū)。該工作面上部為14#煤層，對(duì)應(yīng)地層侏羅系古窯采空區(qū)，且兩層煤之間的層間距346～354 m。8101 工作面沿走向布置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度850 m，切眼沿傾向布置，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度152 m。4#煤層在采面內(nèi)平均厚度為3.27 m，含有2～3 層互疊層夾矸，夾矸厚度0.05～0.5 m 不等，煤層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。工作面采用U 型通風(fēng)方式，回采時(shí)一次采全高，采空區(qū)采用全部垮落法進(jìn)行管理，上隅角瓦斯進(jìn)行埋管抽放。

2 工作面瓦斯特性

根據(jù)工作面瓦斯含量測(cè)定及相鄰工作面瓦斯特性綜合分析，8101 工作面計(jì)劃日產(chǎn)量達(dá)到2750 t，回采期間相對(duì)瓦斯涌出量8.9 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量59.61 m3/min。工作面在形成初期通過取樣采集實(shí)測(cè)的原始瓦斯含量為9.4～11.5 m3/t，瓦斯壓力值為0.64～0.71 MPa，煤層具有突出危險(xiǎn)性。且4#煤層的透氣性系數(shù)僅為0.05～0.20 m2/MPa2·d，瓦斯放散初速度q指標(biāo)為18.10～19.10 mmHg，煤層孔隙率為6.58%～6.86%，根據(jù)煤層瓦斯特性和地質(zhì)條件分析，4#煤層瓦斯具有較好的可抽采性。因此，為提高煤層瓦斯的抽采效果，制定“壓裂井鉆孔+本煤層順層鉆孔+高排巷鉆孔抽采”的空間網(wǎng)格化鉆孔布置形式，確保達(dá)到最佳瓦斯抽采率。

3 瓦斯綜合治理方案設(shè)計(jì)

3.1 壓裂井鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)8101 工作面布置與對(duì)應(yīng)地表位置關(guān)系，在地表共設(shè)計(jì)14 個(gè)壓裂抽采鉆孔。結(jié)合類似地質(zhì)條件和煤層透氣性條件下的抽采鉆孔分析，單孔瓦斯抽采半徑可以達(dá)到45～55 m 左右。通過地面鉆孔壓水后的壓裂效果，可以有效提高煤層的裂隙發(fā)育程度，增強(qiáng)透氣性，促進(jìn)瓦斯的空間流動(dòng)。通過壓裂鉆孔的施工，對(duì)瓦斯抽采效果進(jìn)行前后分析對(duì)比，累計(jì)抽采量達(dá)到了197 萬(wàn)m3，釋放抽采達(dá)標(biāo)煤量68 萬(wàn)t。對(duì)瓦斯抽采效果進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證后，噸煤瓦斯含量降低到0.22 m3/ t。壓裂井鉆孔平面布置示意圖如圖1。

圖1 壓裂井鉆孔平面布置示意圖（m）

3.2 本煤層順層鉆孔設(shè)計(jì)

本煤層順層抽采鉆孔布置在8101 工作面的皮帶運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷內(nèi)，沿著回采煤體一側(cè)打設(shè)。由于切眼長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為152 m，為減少中間留設(shè)過多的空白區(qū)域，提高條帶鉆孔的施工質(zhì)量，將鉆孔普遍設(shè)計(jì)向切眼方向偏轉(zhuǎn)8°，孔深調(diào)整為90 m，確保兩巷鉆孔終孔位置能夠留有不小于10 m 的抽采壓茬重疊區(qū)域，提高抽采效果。

（1）8101 工作面進(jìn)回風(fēng)巷內(nèi)鉆孔設(shè)計(jì)采用單排孔施工，由于平均煤厚為3.27 m，且煤層透氣性較好，單孔抽采半徑確定為1.2～1.5 m，鉆孔間距設(shè)為2 m，距底板高度為1.6 m 開孔，預(yù)留1 m 的抽采條帶。根據(jù)已探查的地質(zhì)條件和煤層賦存厚度，在煤厚超過4 m 的區(qū)段，增加施工一排補(bǔ)充抽采鉆孔，上下排孔間距為0.8～1 m，對(duì)煤層增厚區(qū)域進(jìn)行消突，減少空白條帶的留存。此外，為了避免中間壓茬段鉆孔出現(xiàn)穿孔，降低鉆孔瓦斯抽采效果，根據(jù)煤層賦存的自然傾角，將回風(fēng)巷一側(cè)鉆孔設(shè)計(jì)傾角為-4°左右，將標(biāo)高稍低的皮帶運(yùn)輸巷一側(cè)設(shè)計(jì)鉆孔傾角為+2°，預(yù)留終孔高差在0.5～0.8 m 之間。順層鉆孔布置剖面圖如圖2。

圖2 順層鉆孔布置剖面圖（m）

（2）鉆孔孔徑選用直徑73 mm 的鉆桿，配備直徑94 mm 的鉆頭。當(dāng)鉆孔施工到位后及時(shí)退鉆，若發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)煤層有塌孔現(xiàn)象時(shí)，需要及時(shí)套孔，或者將鉆孔注漿封堵后，平移鉆機(jī)重新開孔，以防鉆孔抽采漏氣，影響抽采效果。當(dāng)鉆孔確認(rèn)完好后，使用PVC 材質(zhì)的封孔篩管進(jìn)行全程下設(shè)，前段使用帶有透氣孔洞的花管，便于防止塌孔后造成管子堵塞，影響抽采。全部下設(shè)到位后，在孔口處使用聚氨酯封孔液進(jìn)行充填封堵，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔的有效抽采。

（3）在工作面回采后期，為避免臨近停采線附近的煤層因?yàn)殂@孔偏角問題造成的未消突區(qū)域存在，在靠近停采線區(qū)域的60 m 范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)回風(fēng)巷鉆孔的交叉施工覆蓋，即皮帶運(yùn)輸巷（進(jìn)風(fēng)巷）鉆孔垂直巷幫施工，回風(fēng)巷鉆孔調(diào)整為向外段偏轉(zhuǎn)8°施工，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔交叉覆蓋。8101 工作面本煤層順層鉆孔抽采設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 8101 工作面本煤層順層鉆孔抽采設(shè)計(jì)圖（m）

3.3 高排巷鉆孔抽采

高排巷是利用施工高位巷道層位優(yōu)勢(shì)，在巷道正頭施工回采煤層的頂板巖巷鉆孔，向采空區(qū)垮落帶方向進(jìn)行下管預(yù)抽，主要用于治理上隅角及工作面上端頭采空區(qū)瓦斯。由于瓦斯密度較小，容易在上隅角采空區(qū)積聚，因此，通過合理設(shè)計(jì)、施工高排巷鉆孔可以有效解決采空區(qū)瓦斯抽采問題，降低涌入上隅角的瓦斯?jié)舛龋苊馔咚钩奘鹿拾l(fā)生。高排巷掘進(jìn)層位選擇在煤層頂板上方5～10 m 左右的粉砂質(zhì)泥巖層，該層位巖性穩(wěn)定，不易受到采空區(qū)冒落影響而降低鉆孔抽采效果。為避免因施工長(zhǎng)鉆孔造成較大偏斜，影響誤差精度，根據(jù)鉆機(jī)實(shí)際功率等因素綜合考慮，將高位鉆場(chǎng)間距調(diào)整為60 m，即每間隔60 m 施工一條高排巷鉆場(chǎng)，便于施工高位鉆孔，鉆場(chǎng)規(guī)格為長(zhǎng)×高×深=4 m×4 m×4 m，采空區(qū)方向高位孔設(shè)計(jì)每組7 個(gè)，終孔間距控制在垂高2 m 左右。高排巷鉆場(chǎng)鉆孔施工示意圖如圖4。

圖4 高排巷鉆場(chǎng)鉆孔施工示意圖（m）

4 瓦斯抽采效果分析

根據(jù)8101 工作面采取的綜合瓦斯治理方案，通過流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)期間的瓦斯涌出量觀察分析，工作面在采取單一壓裂井鉆孔抽采時(shí)，瓦斯抽采濃度為47.3%；在回采期間結(jié)合本煤層順層鉆孔對(duì)瓦斯抽采后，回風(fēng)總管路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示抽采濃度提升到55.6%，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.48%；在施工高排巷鉆孔抽采瓦斯后，形成綜合網(wǎng)格化瓦斯抽采效果，回采期間由于本煤層抽采和高位孔對(duì)采空區(qū)抽采瓦斯后，上隅角濃度降低到0.32%，回風(fēng)總管路瓦斯?jié)舛忍嵘?9.2%。通過單一采集數(shù)據(jù)和綜合量化對(duì)比，通過網(wǎng)格式空間抽采治理模式，工作面煤層瓦斯得到最大化抽采，有效降低回風(fēng)流和采空區(qū)瓦斯積聚的可能性。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）為提高煤層瓦斯的抽采效果，提出了“壓裂井鉆孔+本煤層順層鉆孔+高排巷鉆孔抽采”的空間網(wǎng)格化鉆孔布置形式。經(jīng)過實(shí)施驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了提升瓦斯抽采率的預(yù)期效果。

（2）對(duì)8101 工作面回采期間回風(fēng)流在不同抽采措施條件下瓦斯?jié)舛葘?duì)比，驗(yàn)證了綜合治理方案對(duì)于瓦斯抽采濃度的提升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單一治理措施的抽采效果。