煤層群開采工作面瓦斯綜合治理技術研究

高 云

（山西潞安化工集團工程公司礦建分公司，山西 屯留 046100）

0 引言

煤層群開采時受到煤層賦存條件復雜、煤層層間距小、瓦斯含量高等多因素影響，采用單一的瓦斯治理方式滿意滿足煤炭安全回采需要[1-3]。煤層群開采工作面在回采時，鄰近煤層在開采卸壓影響下，采動裂隙發育，瓦斯涌出量顯著增加，采面煤炭回采期間往往伴隨有鄰近瓦斯涌出量、采空區瓦斯涌出量大等問題[4-6]。山西某礦開采煤層瓦斯含量高、煤層層間距小，采面煤炭回采期間存在有回風隅角、回風巷瓦斯超限，鄰近煤層及采空區瓦斯涌出量大等問題，采面瓦斯濃度高顯著制約煤炭開采。為此，文中以山西某礦30702（全文簡稱30702）綜采工作面回采為工程背景，結合采面現場實際情況針對性提出采面瓦斯綜合治理技術，實現了近距離煤層群條件下采煤工作面瓦斯的高效治理。

1 工程概況

山西某礦設計產能為180 萬t/a，井田內可采煤層包括有2 號、7 號、9 號、11 號、12 號等煤層，其中經過鑒定2 號、9 號、11 號具有煤與瓦斯突出危險性，具體各煤層層間距及厚度情況見表1 所示。

表1 煤層及瓦斯參數

30702 綜采工作面為南翼3 采區首采工作面，采面設計走向長度為1 280 m、傾向長度為125 m，采面開采范圍內水位地質條件簡單、地質構造不發育。結合鄰近采區7 號煤層工作面回采期間瓦斯涌出情況以及本采面現場實際情況預計30702 綜采工作面回采期間本煤層瓦斯涌出量、鄰近層瓦斯涌出量、采空區瓦斯涌出量分別可達到5.02 m3/min、14.98 m3/min、7.37 m3/min，采面回采期間鄰近層及采空區瓦斯涌出量較大。采面現采用的瓦斯治理手段包括有本瓦斯抽采、高位鉆孔、采空區內埋管等，采面回采期間回風隅角以及回風巷內瓦斯濃度偏高，存在有瓦斯超限風險，分析主要是由于鄰近層瓦斯涌出量過大、高位鉆孔層位布置不合理、鉆孔封孔質量差以及未在鄰近層布置瓦斯抽采鉆孔等引起。文中就結合30702 綜采工作面現場情況，針對性提出瓦斯綜合治理技術措施，以便提高采面瓦斯治理能力。

2 采面瓦斯綜合治理技術

2.1 本煤層順層瓦斯鉆孔

30702 綜采工作面傾向長度為125 m，為避免出現瓦斯抽采空白帶并避免長距離鉆進時鉆孔軌跡偏差過大等問題，在采面進風巷、回風巷均布置瓦斯抽出采鉆孔，鉆孔孔深均為70 m，鉆孔搭接產長度為15 m；鉆孔全程下篩管，避免塌孔導致抽采效果不佳問題，鉆孔封孔深度均為15 m，采用兩堵一注封孔方式，瓦斯抽采負壓控制在13～15 kPa，具體鉆孔布置見圖1 所示。采面內本煤層瓦斯鉆孔接抽時間均在5 個月以上。

圖1 本煤層瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

2.2 高位鉆孔

在30702 回風巷布置高位瓦斯抽采鉆場，并向頂板施工大直徑瓦斯抽采鉆孔，以便實現采空區頂板裂隙高濃度瓦斯抽采[7-9]。由于30702 綜采工作面回采的7 號煤層上覆30 m 范圍內存在有不多層不可采煤層，采面回采后頂板裂隙帶發育高度下限約為15 m，為實現上覆裂隙瓦斯高效抽采，布置的高位鉆孔從垮落帶到裂隙帶中上部，具體位于煤層頂板10 m、15 m及30 m 位置。

在回風巷按照50 m 間距布置一個鉆場，在鉆場內布置3 組鉆孔，單組包括3 個瓦斯抽采鉆孔，具體布置如圖2 所示，組內鉆孔間距為4 m，組間鉆孔間距為10 m，水平方向上可控制距回風巷60 m 范圍；組內鉆孔終孔層位分別距離3 號煤層10 m、15 m 及30 m。高位鉆孔孔徑統一為120 mm，封孔深度均為12 m，抽采負壓控制在8～11 MPa。

圖2 高位鉆孔布置示意圖（單位：m）

2.3 回風隅角瓦斯抽采

采空區瓦斯在通風作用下容易從回風隅角位置涌出，為此在采面回風隅角位置間隔15 m 砌筑一道袋子墻，從而較少采空區漏風量。在采面回風隅角采空區內布置2 趟Φ280 mmPE 管，并在回風巷鋪設的抽采管上間隔18 m 布置一個三通、閥組，便于接入抽采篩管以及控制抽采；當篩管頭部埋入到采空區后方5 m 后開始開啟抽采同時上一抽采管停抽；通過循環開啟及關閉回風隅角位置埋管，以便實現采空區內5～30 m 范圍內瓦斯抽采，減少回風隅角瓦斯涌出量。瓦斯抽采負壓控制在5～8 MPa，具體布置見圖3 所示。

圖3 采空區埋管抽采示意圖（單位：m）

2.4 鄰近層瓦斯抽采

為減少30702 采煤工作面回采期間上覆2 號煤層及下覆9 號、11 號及12 號煤層卸壓瓦斯涌出量，依據30702 采煤工作面布置位置，提前在2 號煤層下覆15 m 的砂巖層中、12 號煤層下覆20 m 的砂質泥巖層布置底板瓦斯抽采巷，并通過底抽巷內的穿層鉆孔實現2 號、9 號、11 號及12 號煤層，穿層鉆孔終孔間距控制在15～18 m，抽采負壓控制在13～18 kPa，封孔長度均為15 m，封孔材料為微膨脹水泥。具體鉆孔布置見圖4 所示。通過底抽巷內穿層鉆孔瓦斯抽采，可有效減少30702 采煤工作面回采期間鄰近層卸壓瓦斯向回采空間外溢量。

圖4 鄰近層瓦斯抽采布置示意圖（單位：m）

3 瓦斯治理效果分析

在30702 采煤工作面回采期間，通過本煤層鉆孔、高位裂隙鉆孔、采空區埋管抽采以及鄰近層底板瓦斯抽采等方式進行瓦斯治理，對上述各種瓦斯抽采鉆孔瓦斯抽采情況進行時間監測，具體分別為3.6 m3/min、3.2 m3/min、4.6 m3/min、8.9 m3/min，瓦斯抽采量占采面瓦斯涌出總量的74.5%；同時通過30702 采煤工作面回采后，上覆2 號煤層、下覆9 號、11 號及12 號煤層瓦斯壓力均降至0.74 MPa 以下，保護范圍內基本消除的煤與瓦斯突出危險。

監測采面回采期間回風巷、回風隅角位置瓦斯濃度，發現在開采期間回風巷瓦斯體積分數始終在0.39%以內，回風隅角瓦斯體積分數始終在0.46%以內，采面其他位置瓦斯體積分數也均較小且在安全范圍以內，表明現場采用的瓦斯治理方式取得較好應用效果，可有效解決采空區及鄰近層瓦斯涌出量大問題。

4 結論

30702 采煤工作面回采的7 號煤層上覆有不可采煤層及可采的2 號煤層，下覆有不可采煤層及可采的9 號、11 號及12 號等煤層，在采面回采期間鄰近層大量的卸壓瓦斯沿著采動裂隙向回采空間涌出，導致采面瓦斯濃度整體偏高，存在較大的瓦斯超限風險。為給30702 采煤工作面安全回采創造良好條件，提出綜合使用本煤層鉆孔、高位瓦斯抽采鉆孔、采空區埋管、鄰近層底板穿層鉆孔等方式對瓦斯涌出進行治理，并通過改進封孔方式、增大鉆孔孔徑、增加抽采負壓等方式提高瓦斯抽采效果。

現場應用后，30702 采煤工作面回采期間瓦斯抽采量占采面瓦斯涌出總量的74.5%，同時在采面開采保護范圍內鄰近的2 號、9 號、11 號及12 號均消除了煤與瓦斯突出危險性；采面回風隅角、回風巷內瓦斯體積分數分別控制在0.39%、0.46%以內，瓦斯治理效果較好。