高瓦斯工作面“U”型通风系统瓦斯综合治理

张启禄

(汾西矿业集团公司，山西 介休 032000)

随着矿井开采规模和深度的不断加大，瓦斯涌出量也随之增大，瓦斯灾害日趋严重。对于工作面总瓦斯涌出量在40 m3/min以下的工作面不符合“U+L”通风系统使用条件，从经济、安全上迫使“U”通风系统在高瓦斯矿井采煤工作面(总瓦斯涌出量在40 m3/min以下)的全面应用，但应用的基础和保障是瓦斯综合治理措施必须到位。

1 地质概况

本工作面位于汾西矿业集团某矿井三采区前进方向的南翼，西侧工作面尚未采掘，东侧为采空区。工作面设计走向长度2 094 m，可采长度1 734 m，倾斜长度为201 m。

该工作面所采的(3#+4#)合并层，属二叠系山西组下段顶部煤层，煤层平均厚度3.8 m;区内煤层稳定，结构复杂，含2层左右黑色泥岩夹矸层，夹矸层厚0.15 ～0.4 m，煤层倾角0 ～12°，平均6°。

工作面直接顶为灰黑色砂质泥岩，厚度约15.53 m。其特征:灰黑色砂质泥岩，含砂不均，夹粉砂岩长带，水平层理，含植物化石;老顶以灰白色中粒砂岩为主，厚度为20 m。其特征为中厚层状，含云母，裂隙发育，坚硬;直接底为灰黑色砂质泥岩，斜交裂隙发育，未充填，半坚硬，含植物化石，厚度5.65 m;老底为浅灰色细粒砂岩，石英为主矿物，分选中等，钙质胶结，脉状层理，岩石完整，厚度12 m。

2 采煤方法

工作面开采方法采用走向长壁式开采，为一次采全高综合机械化，全部垮落法管理顶板。

3 工作面回采期间瓦斯来源

3.1 本煤层瓦斯涌出

该矿所采二叠系下统山西组下段顶部煤层(3+4)#合并层，煤体松，透气性极好，不利瓦斯储存。本煤层瓦斯涌出量约占工作面总涌出量的40%左右，是主要瓦斯涌出之一，根据治理瓦斯的分源治理原则，需进行瓦斯抽采工作。

3.2 围岩瓦斯涌出

因该矿煤层顶底板多为砂质泥岩，孔隙、裂隙相当发育，成煤时期储存较多，在回采过程中，随着老顶周期来压，其中一部分瓦斯升至裂隙带，一部分随采空区漏风带到工作面及专用抽采巷，直接影响工作面和上隅角瓦斯浓度，约占总涌出量的60%，为主要瓦斯涌出量。

3.3 邻近层瓦斯涌出

下邻近煤层离本开采层距离较大(约80余m)，对本开采层瓦斯涌出无影响;上邻近2#煤层距本煤层6～15 m，开采后随顶板垮落，应力重新分配后主要涌向采空区，对工作面无太大影响，一并计入采空区瓦斯涌出量中。

4 综合治理方案

4.1 通风方式

工作面采用“U”型通风系统。材料巷进风，运输巷回风，另在回风巷一侧布置一条专用瓦斯抽采巷，抽采巷内对工作面进行裂隙带、采空区瓦斯抽采并实现全风压通风。

工作面配风量计算应根据风排瓦斯量，同时考虑配风量与上隅角瓦斯涌出的相对关系，绘制曲线图，确定平衡点，合理、适当进行配风，选取上隅角瓦斯浓度最低时的风量数据。

工作面通风系统示意图见图1。

图1 工作面通风系统示意图

4.2 超前预抽采措施

4.2.1 掘进期间超前预抽

运巷掘进期间利用千米钻机施工超前预抽钻孔，预抽前方煤体中的瓦斯。在运巷口左帮施工第一个煤体钻场，巷道掘到700 m、1 400 m处再施工第二个、第三个煤体钻场。每个钻场计划施工3个超前预抽钻孔，抽采煤体中瓦斯。

1)钻场规格。钻场在运巷前进方向的左帮，沿煤层顶板掘进。钻场规格:深×宽×高=5 m×9 m×3 m，钻场采用锚杆、锚索加金属网综合支护，采用扩散通风。

2)钻孔设计。钻场布置3个主钻孔，孔间距1.1 m，钻孔设计参数见表1～3。在施工过程中可根据工作面实际情况对钻孔参数进行调整。

表1 第一钻场钻孔参数表

表2 第二钻场钻孔参数表

表3 第三钻场钻孔参数表

4.2.2 本煤层钻孔抽采

材料、运输两巷采用边掘边抽的方法进行瓦斯超前预抽采。在材巷前进方向右帮，运巷前进方向左帮分别施工钻孔进行预抽采，钻孔从巷道开口处依次往工作面(沿煤层倾向)布置。钻孔随着工作面的向前掘进逐步施工，且工作面迎头与相近的钻孔间距不得超过50 m。钻孔间距为6 m，钻孔开孔使用d89 mm的钻头，打8 m后换用73 mm钻头，孔径75 mm;抽采瓦斯管路布置在材巷前进方向右帮、运巷前进左帮，管路吊挂锚杆上，吊挂高度保持在1.2 m之间。工作面预抽钻孔布置示意图见图2。

图2 工作面预抽钻孔布置示意图

4.3 边采边抽综合方案

工作面采用专用抽采巷顶板工作面裂隙带钻孔、采空区钻孔抽采以及运巷上隅角埋管抽采的综合边采边抽措施。

4.3.1 工作面裂隙带钻孔抽采设计

利用在专用抽采巷交错施工高、低位顶板钻孔对工作面裂隙带瓦斯进行抽采。裂隙带钻孔布置在专用抽采巷前进方向的左帮，钻孔从停采线依次往工作面布置，每隔6 mm布置一个钻孔.钻孔终孔高低位度控制在20～23 m左右，高位孔控制在29～32 m。钻孔深入工作面煤壁20 m，孔高1.6 m，开孔使用d127 mmm钻头，打5 m后换用d89 mm钻头，孔径91 mm。钻孔从停采线往工作面依次编号，在专用抽采巷距切割巷60 m范围内施工密集高、低位顶板钻孔，孔间距变为3 m。提高工作面初采期间的抽采效果，保证安全生产，高、低位钻孔在专用抽采巷施工完毕后，根据工作面实际煤层等高线图进行钻孔参数设计。

4.3.2 采空区抽采钻孔设计

在专用抽采巷内向工作面上隅角施工煤柱穿层钻孔，抽放采空区瓦斯。每6 m布置一个钻孔，钻孔深度29.4 m。钻孔孔径115 mm。钻孔总数290个。根据该矿提供的地质说明书，钻孔从停采线依次向工作面编号，在施工过程中可根据工作面实际情况对钻孔参数进行调整。

4.3.3 运巷上隅角埋管抽采设计

工作面回采期间采用“U”型通风方式，即材料巷进风，运输巷回风。为了解决运输巷上隅角瓦斯积聚，采用铺设一趟d300 mm钢骨架复合管用于上隅角埋管抽放，管路沿巷道前进方向右侧铺设。从停采线以内每12 m接一个三通(d300 mm变d200 mm)，方向垂直向上。

管路安装要求:

1)抽采管路沿巷道右侧顶部吊挂，距顶不得大于400 mm的距离，要求每根抽采管路采用吊环吊挂两处。

2)抽采管路按设计吊挂，做到平、直、稳、严密，统一高度。

3)管路跨过巷道或硐室时要设龙门，与主管路连接处要上阀门和过滤装置。

4)从停采线以里每12 m安设一个三通，三通方向垂直向上，变头处必须安装过滤装置，以防杂物进入管路。

5)井下管路应避免与通讯、动力电缆敷设在一起，以防管路带电。若需布置在一侧时，必须间隔500 mm的安全距离。

6)连接管路时必须将管内杂物清理干净，胶垫要垫合适，法兰盘螺丝要上齐全，全部紧固，保证不漏气。

7)瓦斯管路铺设地段严禁施工，如确需施工时，必须做好管路保护措施，并与该矿通风区联系，待通风区采取措施后，方可施工。

8)抽采管路在吊挂完成后，由总工程师组织有关单位进行验收，合格后，方可投入使用。

4.3.4 运巷采用钻场长钻孔抽采上隅角瓦斯措施(初采期间涌出量大)

1)钻场位置及规格。

在运巷从切眼起，每隔50 m施工1个钻场。共施工2个钻场，钻场在运巷前进方向的左帮，沿煤层顶板掘进。钻场规格:深×宽×高=5 m×6 m×3 m，钻场采用锚杆锚索加金属网综合支护，采用扩散通风。

2)钻孔设计。

每个钻场布置上下两排各3个钻孔，孔间距600 mm，开孔直径115 mm，打5 m后换用89 mm钻头，孔径91 mm。第一钻场钻孔垂直距离伸入工作面10 m，第二钻场钻孔垂直距离伸入前一钻场20 m。1#～6#孔水平距离控制在工作面切割巷10～40 m的范围内，1#～3#钻孔终孔高度控制在6～12 m内;4#～6#终孔高度控制在8～16 m内。

工作面边采边抽钻孔布置示意图见图3。

图3 工作面边采边抽钻孔布置示意图

4.4 抽采方法及管路敷设

运输巷、抽采巷均敷设两趟直径300 mm的瓦斯抽采专用管路，实现采空区与本煤层和裂隙带钻孔分源抽采，且分别与三采总回风巷抽采主管路对接。

预抽期间运巷、专用抽采巷管路与三采回风巷内d800 mm的主瓦斯抽采管路联接利用高浓度抽采系统进行掘进工作面的瓦斯预抽采工作。回采期间运输、材料专用抽采巷的本煤层钻孔、裂隙带钻孔抽采管路与三采回风巷内d800 mm的瓦斯抽采管路连接，利用高负压抽采系统进行工作面的瓦斯抽采，专用抽采巷的采空区抽采孔和运输巷的上隅角埋管的抽采管路与三采回风巷内d700 mm的瓦斯抽采管路联接，利用低负压抽采系统进行采空区的瓦斯抽采工作。管路安装完毕后，投入运行前必须进行气密性试验，并写出书面报告，要求静压力大于30 kPa时，千米漏气量不大于3 m3/min方为合格。

4.5 抽采钻孔封孔设计

每施工完一个钻孔后，立即进行封孔，封孔方法采用聚氨脂封孔法，封孔长度岩孔5 m，煤孔8 m，封孔前应将孔内积水、岩屑清理干净，以保证封孔质量，封孔工艺如下:

1)封孔采用专用的PE封孔管。

2)封孔材料:专用的封孔管、封孔器、4分注液管、4分排气管、毛巾布、聚胺脂。

3)封孔工艺:必须使用封孔泵动力封孔。

在封孔管两端缠绕毛巾布宽度不小于0.5 m，末端的毛巾布距封孔管末端0.8～1 m，外端毛巾布外侧距封孔管口处0.4 m，封孔管外露0.2 m，封孔管两端的毛巾布浇注药液后要用12#铁丝绑牢。

4)封孔管外端毛巾布中裹入2根长为1.5 m和1 m的4分注液管、排气管，4分管外露100 mm。

5)压注药液量:

聚胺脂液中甲、乙液的配比为1∶1.1。

6)钻孔封孔所有工艺全部完成后，至少凝固1 h方可安装挡板，在凝固4 h后方可进行打压试验。

7)封孔泵封孔操作顺序:

a)在第一根封孔管上距末端0.4 m上一个接头，然后在接头处缠裹毛巾布，(使用12#铁丝固定在封孔管上)再浇好液后送入孔内。

b)逐根快速将封孔管连接好。

c)及时将封孔管送入钻孔。

d)在最外一根封孔管上距封孔管口0.4 m处再上一个接头，然后在接头往里缠裹毛巾布(使用12#铁丝固定在封孔管上)，同时毛巾布内应固定上注液管、排气管;排气管安设在孔顶，注液管安设在孔底，各外露100 mm。

e)将封孔管送入钻孔，封孔管外露0.2 m。

f)以上工序完成后，等待5、6 min，聚氨酯膨胀后，再向注液管内压注药液。

g)在钻孔使用聚氨酯完成封孔后，将孔口预留0.2 m长的距离，采用人工填充水泥砂浆的方法进行孔口段的封孔工作。

8)液体打完后，要及时关闭压风，拧开注液管上的丝扣，然后打开压风将封孔器与胶管内液体吹干净，防止聚氨酯堵塞封孔器。

9)钻孔封好后，上挡板时不得将挡板紧固，待封孔液完全凝固后，方可紧固挡板。

10)每施工完一个钻孔立即封孔，并接入抽采系统。