凤凰山矿15＃煤层U型通风工作面高位钻场钻孔瓦斯抽放技术研究

周春山 王俊峰 迟克勇 邬剑明 武旭峰

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024；2.山西煤炭职业技术学院，山西省太原市，030031；3.山西晋城蓝焰煤业股份有限公司凤凰山矿，山西省晋城市，048007）

凤凰山矿于1970年投产至今，3＃煤层已回采结束，9＃煤层储量接近枯竭，目前主采15＃煤层，生产能力400万t／a，属瓦斯矿井。由于15＃煤层地质条件相对复杂，巷道掘进速度慢，为最小程度地减少工作面巷道的掘进量，保证矿井生产的正常衔接，凤凰山矿在15＃煤层三水平南翼盘区首采面151304工作面采用一进一回的U型通风系统。通过对151304工作面长1080 m回风巷的瓦斯基础参数的现场测试，测得煤层瓦斯含量2.36 m3／t，属氮气—甲烷带。该工作面于2012年5月3日开始回采，开采初期上隅角、工作面及回风巷瓦斯浓度变化情况如图1所示。在工作面强制放顶和老顶来压时，各地点瓦斯均出现超限现象，需结合工作面开采实际情况，采取针对性瓦斯治理措施，保证矿井的安全生产。

图1 151304工作面开采初期瓦斯涌出变化曲线图

1 151304工作面概况

151304工作面为凤凰山矿15＃煤层三水平南翼盘区首采工作面，煤层平均厚2.07 m，属较稳定可采煤层，煤层倾角平均为3.5°，工作面老顶、直接顶为 K2石灰岩，厚8.99～9.22 m，平均厚度9.11 m，无伪顶。上覆9＃煤层为92304工作面（2002年回采完毕）、92306工作面（2007年回采完毕）、91324综采面（已回采）及151304切眼往外272 m 9＃煤层实体煤，9＃煤层与15＃煤层平均层间距为29.42 m。151304工作面存在2条6.0～7.0 m落差的逆断层，采用倾斜长壁一次采全高自然垮落后退式综合机械化采煤方法，一进一回的U型通风系统。

2 151304工作面瓦斯超限来源分析

根据151304工作面煤层赋存条件，由于其顶板为极坚硬的K2石灰岩不易冒落，在顶板冒落前与上覆煤岩层裂隙不发育，瓦斯涌出量基本保持不变，但当工作面采取强制放顶后，直接顶垮落，应力急剧变化，造成上覆9＃煤层中卸压瓦斯大量瞬时涌入回采工作面，导致工作面各地点瓦斯浓度急剧增加。

151304工作面回风巷瓦斯浓度在顶板冒落前为0.30%，而冒落后瓦斯浓度急剧上升至1.10%，此时工作面配风量约850 m3／min，该工作面冒落前风排瓦斯量约2.55 m3／min，冒落后风排瓦斯量约9.35 m3／min。增加的瓦斯涌出量主要来源于上邻近层9＃煤层的瓦斯涌出，可见上邻近层9＃煤层瓦斯涌出是造成151304工作面瓦斯超限的主要来源。

3 高位钻孔抽放瓦斯技术在151304工作面的应用

由于151304工作面上覆9＃煤层靠近断层附近，属高瓦斯富集区，原始瓦斯含量约12 m3／t，且煤层松软，本煤层瓦斯抽放困难，有272 m的实体煤未采动。随着15＃煤层的开采，改变了15＃煤层和上覆9＃煤层岩层的原始透气性和封闭状态，9＃煤层瓦斯会瞬时大量涌向15＃煤层工作面，因此，设计在采空区顶板裂隙区布置高位钻场钻孔组，直接对9＃煤层卸压瓦斯进行抽采和拦截，并改变15＃煤层采空区瓦斯流动状态，减弱采空区瓦斯涌出强度，从根本上解决瓦斯超限难题。

3.1 高位钻场施工

从151304回风巷距离开切眼120 m向煤柱侧施工长10 m、宽2.5 m和高2 m的下平巷，再平行于回风巷向工作面仰角30°爬坡施工长19.5 m、宽2.5 m和高2 m的斜巷，然后施工宽2.5 m、深5 m和高2.5 m的绞车硐，再垂直回风巷侧施工宽5 m、深4 m和高2 m的高位钻场，采用锚网联合支护。高位钻场布置见图2。

图2 高位钻场布置示意图

3.2 高位钻场钻孔布置参数

利用经验计算法，凤凰山矿151304工作面上覆坚硬岩层 “三带”中冒落带高度为7.65～12.67 m，裂隙带高度为37.26～55.06 m。根据采空区顶板岩层移动 “三带”理论和采空区内瓦斯运移规律，有效钻孔高度应位于冒落带顶端和裂隙带的中下部，其高度应距15＃煤层顶板12.67～37.26 m。因此设计在高位钻场呈扇形布置顶板高位钻孔24个，开孔高度距9＃煤层顶板12.50 m。具体设计参数见表1，151304工作面顶板高位钻孔布置见图3。

图3 151304工作面顶板高位钻孔布置图

表1 151304工作面顶板高位钻场钻孔参数

3.3 抽放管路布置

高位钻场钻孔施工完毕采用 “合成树脂＋膨胀封孔剂”及时封孔后进行联孔，与抽放主管路相连，并在钻孔开口处施工永久密闭。抽放主管路采用直径为355 mm PE管，沿151304工作面回风巷左帮布置，保证管路吊挂平直，离地高度约500 mm，管路中安设U型压差计、孔板流量计和高负压管道取样器，并在管路低洼处留有放水三通。

3.4 瓦斯抽放效果分析

根据工作面回采速度、老顶来压周期、采空区垮落情况（包括垮落的长度、宽度、高度）观测工作面瓦斯涌出随回采进度变化情况，见图4。由图4可知，采空区顶板垮落为9＃煤层瓦斯涌入151304工作面提供良好的通道，随着工作面的不断推进，顶板裂隙带逐渐发育，瓦斯涌出量逐渐增大，工作面各点瓦斯浓度也逐渐上升。当工作面推进至27.4 m后，随着采空区顶板大面积垮落，钻孔瓦斯抽放量、抽放浓度骤增，并随着瓦斯抽放和风流稀释作用，瓦斯浓度逐渐降低，并在下一次顶板垮落后再次增加。

现场测定数据表明，在采取顶板高位钻场钻孔抽放后，各孔抽放浓度达到40%～48%，抽放流量为0.7～1.7m3／min，上隅角、回风巷、工作面和采空区瓦斯最大浓度分别为0.43%、0.35%、0.28%和1.40%，抽放效果比较明显，有效减少了瓦斯超限事故的发生，说明钻孔设计比较合理，达到了预期的效果。

图4 工作面瓦斯涌出随回采进度变化趋势图

4 结论

（1）凤凰山矿151304工作面上覆9＃煤层的瓦斯涌出是工作面瓦斯涌出的主要来源。

（2）高位钻场钻孔组具有布置钻孔多、抽放瓦斯浓度高，可有效抽采和拦截9＃煤层卸压瓦斯向15＃煤层采空区的涌入，并有效改变15＃煤层采空区瓦斯流态，从根本上解决了上邻近层瓦斯大量瞬时涌入造成工作面瓦斯超限的难题。

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