煤矿综采工作面瓦斯综合治理技术

姚 杰

(山西煤炭运销集团阳城大西煤业有限公司，山西 阳城 048100)

1 矿井概况

山西煤炭运销集团阳城大西煤业有限公司设计生产能力为60万t/a的高瓦斯矿井，现矿井主采3#煤层，煤层赋存稳定，结构简单，瓦斯含量高。采用中央分列抽出式通风，主通风机采用FBCDZ022型,2×250型轴流式通风机。3#煤层平均厚度3.5 m，倾角4°～6°，无自燃现象，井田位于沁水盆地南缘，中条山隆起的北东部。地貌划属为侵蚀山地，以中低山丘陵为主，区内沟谷发育，局部为黄土覆盖，主要山梁及沟谷走向呈北西至南东向，地形北西高，南东低。最高点位于井田北西部边界黄山庄村东40 m处的山梁上，标高为1 163.52 m，最低点位于井田南部边界董王沟沟谷，标高为844.12 m，相对高差319.40 m左右。现生产区为一采区，回采3021综采工作面[1-3]。

2 煤层瓦斯

矿井井田3号煤层瓦斯含量(W)具有随着埋藏深度(H)增大而加大的整体趋势，两者之间具有如式(1)的线性统计规律(相关系数r=0.8429)：

W=0.031 7H-0.251 9

(1)

式中，W为煤层瓦斯含量，m3/t；H为煤层埋藏深度，m。

本矿3号煤层埋藏深度为265 m～398 m，则根据式(1)计算矿井3号煤层瓦斯含量为9.67 m3/t～14.75 m3/t。本矿3号煤层基础参数：

煤层原始瓦斯含量：9.67 m3/t～14.75 m3/t；

煤层透气性系数：3.223 8 m2/MPa2·d；

钻孔瓦斯流量衰减系数：0.026 1 d-1；

百米钻孔瓦斯极限抽放量：12 809 m3；

百米钻孔初始瓦斯流量：0.079 3 m3/min；

采落煤残存瓦斯含量：3.05 m3/t。

3 综采工作面概况

3021综采工作面3#煤层位于山西组中下部，地质构造简单，为单斜构造，煤层平均厚度为3.4 m，夹0层～1层矸石；直接顶为泥岩，局部为细粒砂岩、粉砂质泥岩；直接顶下有0.1 m～0.2 m炭质泥岩及灰色泥岩伪顶；老顶为灰色细粒砂岩、泥岩互层；底板为一般砂质泥岩，局部为细粒砂岩，煤层层位稳定，为全区稳定可采煤层。

3021综采工作面西邻胶带大巷，东与阳泰集团小西煤业交界，北为实体煤，南为3019综采工作面采空区。工作面顺槽设计长度663 m，切眼设计长度180 m，综采一次采全高，全部垮落法管理顶板。工作面通风系统为一进一回，正常情况下工作面配风量为2 350 m3/min，工作面瓦斯浓度为0.30%～0.35%，回风流瓦斯浓度为0.40%～0.55%，上隅角瓦斯浓度为0.65%～0.85%，但工作面上隅角瓦斯出现沿工作面切顶线向采煤空间呈三角形瓦斯超限带，一般瓦斯浓度在0.65%～0.85%,最大可达1.5%，影响工作面和矿井安全生产。

在以往工作面回采过程中，主要采用吊挂风障引排瓦斯，效果不明显、不稳定。

4 采煤工作面瓦斯治理技术的选择

4.1 工作面本煤层抽放

在运输及回风顺槽平行煤层各布置抽放钻孔进行预抽，在两顺槽各吊挂一趟Φ325 mm瓦斯管路与总回风Φ630 mm高负压抽放管路连接。

4.2 高位钻孔抽放瓦斯

在回风顺槽布置高位钻孔对工作面采空区裂隙带瓦斯进行抽放，连接至回风顺槽Φ325 mm高负压瓦斯管路与总回风Φ630 mm高负压抽放管路连接。

4.3 上隅角瓦斯抽放

在工作面上隅角插入1根Φ219 mm铠装管或2根Φ120 mm铠装管，连接至回风顺槽Φ219 mm低负压抽采管路，通过总回风大巷Φ377 mm低负压瓦斯抽采管路，对上隅角瓦斯进行抽放。

5 采煤工作面瓦斯治理具体方法

5.1 工作面本煤层瓦斯抽放

3021综采工作面切眼长度为180 m，为避免留下空白带，施工时顺层钻孔应覆盖整个工作面。

1) 运输顺槽顺层钻孔。钻孔设计长度确定为110 m(在实际施工过程中，若遇地质构造或其他因素，造成钻孔无法按设计完成施工时，钻孔深度不得低于90 m，并且必须与回风顺槽的顺层钻孔对接，对回采煤柱实现抽采全覆盖)，孔间距为2.0 m，封孔段长度不小于14 m，钻孔开孔位置距巷道底板1 m左右，根据工作面煤层走向实际，确定钻孔方位角为180°，倾角确定为4°～6°，孔径为94 mm。

2) 回风顺槽顺层钻孔。钻孔设计长度为110 m(在实际施工过程中，若遇地质构造或其他因素，造成钻孔无法按设计完成施工时，钻孔深度不得低于90 m，并且必须与运输顺槽的顺层钻孔对接，对回采煤柱实现抽采全覆盖)，孔间距为3.0 m，封孔段长度不小于14 m，钻孔开孔位置距巷道底板1 m左右，根据工作面煤层走向实际，确定钻孔方位角为0°；倾角确定为-4°～-6°；孔径为94 mm。

3) 抽放钻孔工程量。工作面顺槽设计长度为663 m，运输顺槽钻孔间距为2.0 m，布置306个钻孔；回风顺槽钻孔间距为3.0 m，布置204个钻孔；单孔长度设计为110 m，若遇地质构造或其他因素，造成钻孔无法按设计完成施工时，钻孔深度不得低于90 m；共布置510个钻孔，抽放进尺为56 100 m。

4) 管路敷设工程量。两顺槽各吊挂Φ325 mm高负压抽放管路一趟与总回风Φ630 mm高负压管路连接，长度共1 520 m。

5) 管路附属装置安装。根据瓦斯抽放规范规定,同时结合工作面管路敷设实际，确定两顺槽Φ325 mm高负压安装除渣装置1组、计量装置1组、接地装置3组、放水器3组；根据钻孔出水情况及巷道走势，低洼处可临时加设放水器。单孔出现积水无法排除情况时，可根据现场情况加接单孔放水器或集中放水器。单孔使用CJZ70瓦斯综合参数测定仪进行抽采参数测定，不再安装单孔孔板流量计。

6) 预抽效果要求。通过抽放管路参数监测、计算，达到预抽时间后，必须保证煤层残余瓦斯含量小于8 m3/t，残余瓦斯压力小于0.74 MPa。

5.2 回风顺槽高位钻孔抽放瓦斯

1) 抽放方法。采用履带式抽放钻机在3021回风顺槽顶板布置高位钻孔对工作面采空区裂隙带瓦斯进行抽放，钻孔Φ94 mm，采用Φ50 mm的封孔管，封孔长度14 m。

2) 钻孔参数。在3021回风顺槽内由工作面方向至顺槽口依次施工每组8个钻孔，开孔间距1 m。每组高位孔间距40 m,根据现场实际情况及上一组抽采情况，现场可调整施工参数。详见表1。

表1 高位钻孔施工参数设计表

3) 钻孔工程量。每组高位钻孔开孔点覆盖范围为8 m，相邻高位钻场间距为40 m，共布置高位钻场13个。除第一组高位钻孔深度按表1施工，其他高位钻孔长度80 m，总进尺为8 209 m。高位瓦斯抽放孔布置示意图见第65页图1。

4) 管路敷设工程量。3021回风顺槽高位钻孔连接至Φ219 mm低负压抽放支管与总回风巷Φ377 mm低负压管路连接，不再敷设专用高位钻孔抽放管路。

5) 管路附属装置安装工程量。利用3021回风顺槽Φ219 mm低负压抽放管路附属装置；根据高位钻孔出水情况在每组高位钻场安装1个集中放水器进行放水。单孔使用CJZ70瓦斯综合参数测定仪进行抽采参数测定，不再安装单孔孔板流量计。

图1 高位瓦斯抽放孔布置示意图

5.3 上隅角插管抽放瓦斯

1) 在工作面上隅角插入1根～2根Φ219 mm铠装软管，连接至回风顺槽Φ219 mm低负压抽采管路，通过总回风巷Φ377 mm低负压瓦斯抽采管路，对上隅角瓦斯进行抽放。上隅角插管抽放示意图如图2所示。

图2 上隅角插管抽放示意图

2) 铠装软管吊挂位置。距顶板200 mm，距顺槽煤帮200 mm，插入深度为1 m～2 m(根据上隅角瓦斯情况可适当调整)。同时，采用挡风帘对上隅角封堵，降低或减少采空区瓦斯涌入工作面，迫使瓦斯通过埋设的低负压抽放管排放至地面，达到有效治理上隅角瓦斯的目的。

6 综合治理措施效果

3021综采工作面自2018年7月15日开始采取上述两项技术方案治理瓦斯后，正常生产期间工作面瓦斯浓度由原来的0.30%～0.35%，控制在0.25%～0.30%；回风流瓦斯浓度由原来的0.40%～0.55%，控制在0.35%～0.40%，上隅角瓦斯浓度由原来的0.65%～0.85%，逐步控制在0.50%～0.55%，保证了工作面及矿井的安全有序生产。

7 结论

1) 上隅角插管抽放，管道必须紧靠回风顺槽煤柱侧，并吊挂牢固，以尽可能保证管理的高度，提高抽采效果；在管路低洼处设置自动放水器，保证抽放流量。

2) 该抽放方式对单一本煤层、综采一次采全高工作面，工作面长度在100 m～200 m范围，瓦斯涌出治理效果明显。