裕兴煤业15203工作面瓦斯综合治理技术研究及应用

郭国祥

（山西煤炭运销集团裕兴煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概况

裕兴煤业15203工作面位于15#煤层二采区北翼，工作面所采煤层为15#煤层，煤层厚度为3.91～4.89m，均厚4.41m，属全区稳定赋存可采煤层，工作面采用长壁综采采煤工艺进行回采作业。回采工作面长度为240m，平均采高4.41m，回采率为97%，工作面采用U型通风方式。

针对15203工作面采用分源预测法对工作面回采期间最大瓦斯涌出量进行预测，根据预测结果回采工作面瓦斯相对瓦斯涌出量为7.50m3/t，绝对瓦斯涌出量为10.44m3/min，远大于相关规定要求的3m3/min的瓦斯涌出量要求，基于此可知在15203工作面回采前及回采期间，需进行有效的瓦斯抽放作业，降低煤层瓦斯含量，减小煤层瓦斯涌出，保障工作面安全回采。

2 瓦斯综合治理技术

2.1 瓦斯治理技术的选择

根据裕兴煤业15203工作面的具体情况，在15203工作面回采前，通过布置顺层钻孔的方式对工作面煤层内的瓦斯进行有效的预抽作业，根据相关工作面瓦斯含量核算，在此阶段需要将煤层瓦斯含量降至4.3m3/t，回采期间瓦斯涌出量才有可能降至3m3/min[1-2]；当工作面进行回采作业时，再结合顶板高位穿层钻孔瓦斯抽采及上隅角埋管抽采的方式对工作面瓦斯的问题进行治理。

2.2 工作面回采前瓦斯预抽

在15203回采工作面回采前，采用VLD-1000型千米定向钻机施工，运输顺槽和回风顺槽中分别施工顺层钻孔，顺层预抽钻孔在直垂方向上控制煤层全厚，在水平方向上控制预抽区段回采区域（必须覆盖预抽区段回采工作面所有顺槽，且至少超过最外侧顺槽15m），基于此设计顺层钻孔直径φ80mm，钻孔长度为140m，设置顺层钻孔在距离巷道底板1.5m的位置处打设，顺层钻孔的水平间距为5.0m，钻孔的封孔段长度不得小于8m。

在顺层钻孔预抽阶段需确保足够的瓦斯排放时间，需保障顺层钻孔瓦斯预抽作业结束后，工作面煤层的瓦斯含量降低至4.3m3/t，具体15203工作面顺层钻孔的布置形式如图1所示。

2.3 工作面回采期间瓦斯抽采

2.3.1 顶板高位瓦斯抽采钻孔

根据相关岩石钻场的抽采瓦斯的经验并结合现有钻机的抽放能力[3-4]，在15203工作面回采期间采用高位穿层钻孔瓦斯抽采，具体顶板走向瓦斯抽采钻孔的各项参数如下：

1）钻场位置。根据15203工作面的具体情况，从运输顺槽每隔50m施工斜巷进入煤层顶板，斜巷上山的高度为2m，宽度为3m，上山的坡度约为30°，当斜巷进入到煤层顶板2m时，此时沿着煤层顶板掘进处6m的平巷作为顶板走向瓦斯抽采钻孔的钻场，钻场的高度为3m，宽度为5m，深度为6m，具体顶板高位瓦斯抽采钻场布置方式如图2所示。

2）钻孔布置方式。在15203工作面顶板走向瓦斯抽采钻场内，每个钻场内部布置4个抽采钻孔，钻孔呈现扇形布置，具体钻孔的布置的各项参数见表1，钻孔的布置方式如图2所示。

表1 钻孔布置各项技术参数表

图2 15203工作面顶板高位钻孔布置方式示意图

3）封孔工艺。顶板高位瓦斯抽采钻孔在进行封孔作业时，封孔工艺采用"两堵一注"带压注浆对钻孔进行有效封孔作业，两堵即为在孔口1m的长度和16m的长度分别采用聚氨酯和囊袋进行有效封堵，一注即为采用微膨胀水泥，设置水灰比为1：0.7，设置注浆压力为2MPa，将膨胀水泥注入封孔段内，两堵一注的封孔长度为12m。

2.3.2 上隅角埋管瓦斯抽采

由于15203工作面采用U型通风，在风压作用下进风巷内的粉尘和瓦斯等气体会进入到工作面回风巷内，其中部分风流会漏入到工作面采空区内，形成漏风流。进入采空区的风流由于上隅角及回风巷负压作用，又将通过上隅角外溢出来，采空区内的瓦斯及其他有害气体会流向回风巷，进而导致上隅角和回风巷瓦斯浓度增加。

在15203工作面回采期间未充分保证上隅角瓦斯不会出现超限现象，采用采空区埋管进行瓦斯抽放的方式，对工作面上隅角瓦斯进行有效的治理作业，沿采煤工作面的回风巷上帮铺设一条直径为250mm的瓦斯管路（干管），在管路上每隔30m安设一个三通，并安设阀门，阀门上部安设立管，立管的高度为1.5m。在开切眼侧的第一个三通（1#三通）处将直径为108mm橡胶埋吸管与主瓦斯抽采管连接，橡胶埋吸管长30m，末端链接瓦斯抽采器。

另外为提高上隅角抽采效果，对上隅角进行封堵密闭，封堵材料为编织袋装矸石或胶囊充气封堵，具体15203工作面上隅角埋管抽采的布置方式如图3所示。

图3 15203工作面上隅角埋管瓦斯抽采示意图

3 工作面瓦斯治理效果分析

3.1 顺层钻孔瓦斯预抽效果分析

为对15203工作面顺层钻孔瓦斯预抽效果进行有效分析，在工作面进行瓦斯预抽作业时，通过对预抽瓦斯的抽采浓度及抽采纯流量进行监测，根据监测结果能够得出15203工作面运输顺槽与回风顺槽顺层钻孔瓦斯抽采浓度及纯流量与抽采时间的关系曲线如图4所示。

图4 工作面顺层钻孔瓦斯抽采浓度、纯流量-时间曲线图

通过具体分析图4可知，在15203工作面顺层钻孔进行瓦斯预抽作业期间，回风顺槽内顺层钻孔预抽瓦斯的浓度在5.6%～44.4%之间，运输顺槽内顺层钻孔预抽瓦斯浓度在2.0%～17.1%，运输顺槽和回风顺槽内顺层钻孔的瓦斯抽采纯流量的范围分别为 0.075～5.89m3/min 和 0.005～7.96m3/min，基于上述数据可知，顺层钻孔进行预抽作业时抽采的纯流量及瓦斯浓度均较小，但是由于顺层钻孔在回采作业前进行预抽作业，预抽时间至少为180d以上，仍能对工作面瓦斯进行有效治理，通过对15203工作面回采前煤层的残余瓦斯含量进行测定得出，工作面采用顺层钻孔进行瓦斯预抽作业后，工作面煤层瓦斯的含量由原来的7.50m3/t降低至3.5m3/t，达到了顺层钻孔抽采预期的目的。

图5 15203工作面回采期间瓦斯浓度-抽采时间曲线图

3.2 回采期间瓦斯抽采效果分析

为对15203工作面回采期间顶板高位钻孔瓦斯抽采及上隅角埋管瓦斯抽采效果进行有效分析，在工作面回采期间通过对工作面上隅角与回风侧的最大瓦斯浓度进行监测，根据监测结果能够得出工作面上隅角、回风侧与抽采时间的关系曲线如图5所示。

通过具体分析图5可知，15203工作面回采期间上隅角瓦斯浓度基本控制在0.35%～0.47%的范围内，回风流中的瓦斯浓度基本控制在0.16%～0.34%的范围内，基于上述数据可知在工作面回采期间瓦斯的浓度均小于工作面瓦斯设置的报警界限值0.8%，据此知15203工作面回采期间采用的顶板高位钻孔瓦斯抽采与上隅角埋管的瓦斯抽采技术工作面瓦斯的治理取得了显著的效果，保障了工作面安全高效生产。

4 结 论

针对15203工作面瓦斯涌出量的具体情况，通过综合运用顺层钻孔瓦斯预抽、顶板高位钻孔抽采与上隅角埋管抽采相结合的方式进行工作面的瓦斯治理，并结合工作面的具体情况对各项抽采技术的各项参数进行具体设计，根据瓦斯抽采效果分析知，当15203工作面采取上述瓦斯综合治理技术后，工作面回风侧与上隅角最大的瓦斯浓度分别0.34%和0.47%，回采过程中无瓦斯积聚现象出现，为矿井安全高效生产提供保证。