沿空留巷綜放工作面瓦斯綜合治理技術(shù)應(yīng)用

郭四龍

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

為了提高資源回收率，緩解采掘接替緊張局面，多數(shù)現(xiàn)代化礦井采取沿空留巷的方式為備采工作面做準(zhǔn)備。這樣雖然解決了突出礦井掘進(jìn)時(shí)間的影響，但回采過(guò)程中留巷段巷道因風(fēng)量不足，造成瓦斯?jié)舛壬撸矣捎诓煽諈^(qū)瓦斯漏風(fēng)涌入采面回風(fēng)流，而造成工作面及其回風(fēng)流中瓦斯波動(dòng)和積聚的風(fēng)險(xiǎn)依然存在[1]。如何有效采取措施，提高巷道內(nèi)風(fēng)量與瓦斯抽采濃度，值得進(jìn)一步研究。本文以伯方煤礦3205 綜采工作面為例，在沿空留巷工作面采用“Y 型”通風(fēng)的方式，增加進(jìn)風(fēng)量，優(yōu)化采空區(qū)防漏風(fēng)設(shè)計(jì)[2]，同時(shí)提出對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行插管抽采、順層鉆孔抽采、穿層鉆孔抽采等綜合瓦斯治理措施，以多樣方法提升鉆孔瓦斯抽采濃度，確保采面安全回采，取得了顯著效果。

1 工作面概況

3205 綜放工作面位于伯方煤礦二盤(pán)區(qū)運(yùn)輸大巷西翼，北鄰3207 工作面，南鄰3203 工作面，東翼為二盤(pán)區(qū)軌道、回風(fēng)大巷聯(lián)絡(luò)巷。3205 工作面沿走向布置，走向長(zhǎng)1 384 m，切眼沿傾向布置，長(zhǎng)度為157 m。工作面主采3#煤層，煤層傾角為2°～6°，為近水平煤層，煤厚平均5.31 m。3#煤層直接頂為厚度5.51 m 的灰黑色粉砂巖，老頂為厚度4.51 m 的中粒砂巖，直接底為厚度1.76 m 的灰黑色細(xì)粒砂巖，老底為厚度4.53 m 的薄層狀砂質(zhì)泥巖。伯方煤礦主采3#煤層為Ⅲ類(lèi)不易自燃煤層，煤塵不具有爆炸危險(xiǎn)性。經(jīng)過(guò)煤層瓦斯取樣鑒定與實(shí)際測(cè)算，采面最大絕對(duì)瓦斯涌出量7.78 m3/min，上下巷掘進(jìn)期間最大瓦斯涌出量為0.46 m3/min。測(cè)得百米鉆孔瓦斯流量0.0441L/min·hm，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.017 3～0.019 2 d-1，煤層透氣性系數(shù)為0.26～0.31 m2/MPa2·d。

2 沿空留巷瓦斯綜合治理方案

2.1 防采空區(qū)漏風(fēng)設(shè)計(jì)

為減少回采期間的采空區(qū)一側(cè)漏風(fēng)，避免采空區(qū)瓦斯大量涌入工作面隅角和回風(fēng)流，造成巷道內(nèi)瓦斯超限或積聚，在沿空留巷段采空區(qū)一側(cè)使用可伸縮性U 型鋼腿沿切頂線進(jìn)行打設(shè)，鋼腿之間使用連板與螺絲進(jìn)行整體連接固定，在U 型鋼腿背面鋪設(shè)兩層平焊金屬網(wǎng)，利用鐵絲捆扎固定于棚腿上，在兩層平焊網(wǎng)之間平鋪截取好的整塊風(fēng)筒布，從巷頂?shù)较锏讓?shí)現(xiàn)全覆蓋封閉，封閉效果如圖1 所示。

圖1 沿空留巷段采空區(qū)封閉效果

為了避免采空區(qū)頂板裂隙形成導(dǎo)風(fēng)通道，在采取架棚+ 風(fēng)筒布封閉的措施后，使用阻化劑以及阻燃噴涂材料，對(duì)U 型棚腿頂?shù)装宕罱犹幖帮L(fēng)筒布進(jìn)行全斷面噴灑，有效充填裂隙區(qū)域，提升了防漏效果。

2.2 采空區(qū)瓦斯抽采治理

（1）順層鉆孔瓦斯預(yù)抽技術(shù)。在3205 工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷向工作面煤壁方向，以垂直煤壁各偏移6°～8°左右施工順層長(zhǎng)鉆孔，根據(jù)煤層傾角2°～6°的自然條件，設(shè)計(jì)鉆孔傾角為3°～4°，在施工過(guò)程中以實(shí)際見(jiàn)煤巖情況隨時(shí)可調(diào)整鉆孔傾角。此外，為保證鉆孔覆蓋工作面全部范圍，設(shè)計(jì)上下向鉆孔深度均為90 m（切眼長(zhǎng)度157 m），預(yù)留一定終孔深度的壓茬區(qū)域，杜絕瓦斯預(yù)抽空白帶。鉆孔選取鉆頭直徑為94 mm，鉆桿直徑為89 mm，沿煤層中部開(kāi)孔，鉆孔間距為1.5 m。

鉆孔施工結(jié)束后，根據(jù)“兩堵一注”的工作要求，采用技術(shù)較為成熟的帶壓封孔工藝，利用封孔囊袋、聚氨酯等材料進(jìn)行膨脹封堵，然后將攪拌好的水泥漿注入篩管壁，實(shí)現(xiàn)封孔管的徹底固定，以此提高瓦斯抽采率和流量純度。封孔管深度為24 m，要求注漿壓力不小于1.5 MPa，以返漿效果為準(zhǔn)。

封孔結(jié)束后，單一順層鉆孔與抽采支管以三通或直角兩通相連接，每根支管最多可連6～8 個(gè)順層孔，避免連接過(guò)多鉆孔而降低單孔的抽采負(fù)壓。每間隔一段支管路，要在支管與巷道內(nèi)主管路的連接處安裝放水器和排渣器，便于將管路內(nèi)抽集出的積水和煤粉及時(shí)排除，避免堵塞管路后對(duì)負(fù)壓穩(wěn)定性造成影響[3]。在主管路上設(shè)置多組監(jiān)測(cè)裝置傳感器，對(duì)瓦斯抽采流量、濃度、溫度、抽采負(fù)壓、CO 氣體濃度等重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖2所示。

圖2 順層鉆孔封孔連接

（2）通風(fēng)方式優(yōu)化。沿空留巷工作面一般采用“Y”型通風(fēng)的方式，由工作面運(yùn)輸巷作為主要的進(jìn)風(fēng)巷道，待回采段回風(fēng)巷作為輔助進(jìn)風(fēng)巷，而沿空留巷段與總回風(fēng)巷相連通，作為主要回風(fēng)巷道，形成獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)工作面回采期間的實(shí)際瓦斯涌出情況，還可以通過(guò)調(diào)整供風(fēng)量的方式，控制回風(fēng)巷內(nèi)的風(fēng)排瓦斯量，以此確保不會(huì)出現(xiàn)瓦斯涌出波動(dòng)和超限現(xiàn)象。

（3）沿空留巷預(yù)埋管瓦斯抽采。隨著工作面推進(jìn)，將3205 工作面回風(fēng)巷掘進(jìn)期間鋪設(shè)的抽放管路進(jìn)行復(fù)用，考慮到初采初放老頂來(lái)壓步距[4]，在采面開(kāi)始回采10～15 m 后啟用鋪設(shè)的抽放管，避免過(guò)早使用采空區(qū)內(nèi)插管被垮落矸石砸壞，影響抽采效果。對(duì)原φ219 mm 管路改造后，在起始段每間隔6 m 安裝一組同等直徑的φ219 mm 抽采支管插入采空區(qū)內(nèi)，插管長(zhǎng)度為0.3 m，吊掛高度距離巷道頂板不大于0.15 m；連續(xù)安裝三組插管后，調(diào)整插管間距為24 m 一組。隨著工作面回采，具體安裝位置可根據(jù)回采期間的實(shí)際煤厚變化、管路瓦斯抽采濃度變化、采空區(qū)實(shí)際垮落后的裂隙發(fā)育變化等適當(dāng)調(diào)整插管間距[5]，以確保達(dá)到最優(yōu)化抽采效果。

插管時(shí)需要將擋矸側(cè)金屬網(wǎng)用鋼絞鉗剪開(kāi)，埋管后管口末端安裝法蘭盤(pán)，便于與主管路連接。為了確保良好的封閉性，在埋管后需要對(duì)留巷側(cè)進(jìn)行噴漿，防止采空區(qū)瓦斯外溢。插管效果如圖3所示。

圖3 沿空留巷預(yù)埋插管效果

（4）穿層鉆孔卸壓抽采技術(shù)。在3205 工作面回風(fēng)巷一側(cè)沿回采煤壁方向向煤層頂板施工高位穿層鉆孔，利用瓦斯密度小、易在上方積聚的特點(diǎn)，高位鉆孔可以有效抽采采空區(qū)頂板積存的瓦斯，以及上覆煤層受到下層煤層回采擾動(dòng)影響涌出的瓦斯，從而實(shí)現(xiàn)穿層瓦斯治理的效果，防止采空區(qū)瓦斯積聚造成瓦斯超限事故的發(fā)生[6]。具體施工參數(shù)如表1 所示。

表1 高位鉆孔施工參數(shù)

施工高位鉆孔時(shí)，每間隔20 m 打設(shè)一組，每組布置6 個(gè)鉆孔，共設(shè)計(jì)10 組，鉆孔間距為1.5～2 m，施工總孔數(shù)為60 個(gè)。根據(jù)實(shí)際打設(shè)情況和瓦斯抽采濃度情況，可以適當(dāng)增加鉆孔數(shù)量。高位鉆孔設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 高位鉆孔施工布置

由于伯方煤礦屬于多煤層開(kāi)采，在3205 工作面回采期間，考慮到下鄰近層瓦斯涌出的異常影響，為了攔截瓦斯涌入到采空區(qū)，在施工高位鉆孔的基礎(chǔ)上，向3#煤層底板按照表1 相關(guān)參數(shù)施工底板抽采鉆孔，實(shí)現(xiàn)截留抽采的目的，鉆孔布置如圖5 所示。

圖5 底板穿層預(yù)抽鉆孔布置

3 瓦斯抽采評(píng)價(jià)與治理效果

為評(píng)價(jià)3205 工作面回采期間在采取綜合瓦斯治理措施后的效果，在回風(fēng)流滯后采面10 m 處抽放管路上安裝一組瓦斯在線監(jiān)測(cè)裝置，用以監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)瓦斯?jié)舛取⒘髁俊囟鹊葦?shù)據(jù)，具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 鉆孔實(shí)測(cè)瓦斯指標(biāo)數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)回采工作面回采期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸罡邽?.31%，相較于工作面U 型通風(fēng)方式瓦斯?jié)舛冉档图s54.7%，如表2 中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，多種抽采方式測(cè)得的瓦斯?jié)舛染^(guò)10%，達(dá)到預(yù)期瓦斯抽采目的。

4 結(jié)論

1）將3205 回采工作面原U 型通風(fēng)方式調(diào)整為沿空留巷段為“Y 型”通風(fēng)的方式，增加了工作面供風(fēng)量，降低了在回采期間回風(fēng)流的風(fēng)排瓦斯?jié)舛龋Y(jié)合在采空區(qū)一側(cè)打設(shè)U 型棚腿+ 金屬網(wǎng)+風(fēng)筒布的綜合措施，降低了留巷段采空區(qū)的漏風(fēng)量，避免了采空區(qū)瓦斯的大量涌出。

2）利用增加鉆孔施工數(shù)量，以本煤層順層鉆孔施工及采空區(qū)預(yù)埋管抽放的方法，提高了回采煤層的瓦斯抽采率；以穿層鉆孔施工的方法，提高了相鄰煤層的瓦斯抽采濃度，降低了瓦斯經(jīng)過(guò)采空區(qū)垮落裂隙向回采工作面大量涌入的風(fēng)險(xiǎn)，確保回采工作面不發(fā)生瓦斯積聚和超限事故。

3）經(jīng)過(guò)瓦斯綜合治理措施的實(shí)踐驗(yàn)證，3205綜放工作面回采期間管路抽采濃度可保持在10%以上，減緩了瓦斯抽采的衰減速度，瓦斯治理取得了顯著效果。