高瓦斯煤层工作面瓦斯综合治理技术及应用

张 元

(山西焦煤霍州煤电 沁安煤电有限责任公司，山西 长治 046500)

某矿目前配采的15号煤层，煤厚1.29～5.63 m，平均3.72 m，一般在3.00 m以上，煤层倾角0～7°。由煤层瓦斯基础参数的测定可知，煤层真密度1.85 t/m3，视密度1.68 t/m3，孔隙率9.19%，容重16.8 kN/m3，△P为32.70，f值为1.40，瓦斯压力测定值在0.1～0.52 MPa，瓦斯压力反算的瓦斯含量为4.3～13.9 m3/t，钻孔衰减系数0.090 2 d-1，煤层透气性系数0.180 m2/ (MPa2·d)。15号煤层采用综合机械化大采高，掘进采用连采连掘工艺。为了保证矿井的正常采掘衔接，必须对煤层进行瓦斯抽采和治理。

1 工作面概况

XV1302工作面位于15号煤层北翼一盘区，工作面宽度为200 m，采用“两进两回”四巷布置，胶带巷和辅助巷进风，辅运巷和辅助巷回风，工作面巷道均沿15号煤层顶板布置，均为全煤巷道。掘进时采用“一进一回”U型通风，联络横川的间距为60 m，采用分区式通风，机械抽出式通风方法(图1)。

图1 工作面通风示意

2 工作面瓦斯综合治理方案

对于高瓦斯煤层，瓦斯的治理应采取多种方法相结合的方式。在时间和空间上构成一个完整的治理体系。首先在未卸压区域进行预抽(包括回采和掘进)，随后在回采和掘进过程中实现边采(掘)边抽；同时可在上区段巷道中布置千米钻孔抽采，用来掩护下区段巷道的掘进，两者相互结合[1]。

瓦斯治理除了抽采外还有通风系统优化等，它们都是瓦斯综合治理重要组成部分。通风系统和抽采系统也是相互关联的，因此瓦斯治理要统筹全局，且不可盲目治理瓦斯而忽略其对通风系统的影响[2]。

因15号煤层瓦斯含量较大，前期已施工了地面钻井抽采瓦斯，但回采工作面瓦斯涌出量最高仍有22.60 m3/min。所以对本煤层工作面瓦斯的治理，还应采用多种方式综合治理的模式。

3 工作面瓦斯综合治理技术

3.1 掘进工作面的瓦斯治理

为解决采掘接继困难问题，需提高掘进速度，可在掘进面采用顺层长钻孔预抽，辅以千米钻机预抽掘进面瓦斯方案。

采用煤巷掘进工作面顺层长钻孔预抽区段煤层瓦斯方案时，开孔位置可以在迎头或巷道两帮的钻场内，也可以同时开孔。具体如下：

掘进工作面钻场的间距为40 m，钻场平行布置，每个钻场布置2排，每排施工21个钻孔，总共施工42个钻孔。采用液压钻机施工D89 mm，孔深60 m钻孔，钻孔控制距离为15 m。预抽孔的封孔距离为8 m。钻孔施工完成后把抽采管路接入矿井已有的抽采管路系统，具体布置如图2所示。

图2 掘进工作面顺层长钻孔布置示意(m)

采用千米钻机预抽时，根据15号煤层的情况，断面5 m×3.5 m共设计2个钻孔，设计200～300 m，第一个钻孔主孔深度250 m，第二个钻孔主孔深度300 m。

3.2 回采前煤层预抽瓦斯

从15号煤层目前的抽采效果可知，属于可以预抽煤层。在开采前期，应提前预抽。采用的治理措施为，在回风巷施工顺层钻孔抽采本煤层瓦斯；在局部空白带，用普通钻机补充钻孔，保证在大面积预抽区域无死角地带以及千米钻机施工长钻孔预抽瓦斯。具体如下：

施工地点为回风巷道，方位角垂直于煤壁方向，钻孔孔径为94 mm。钻孔间距为3～5 m，孔深180 m；所有钻孔与巷运呈90°夹角布置。终孔直径d0=94 mm。负压范围为13～20 kPa，封孔材料选用水泥砂浆。

在局部空白带，可采用普通钻机补充钻孔，保证在大面积预抽区域无死角地带。通过抽采瓦斯的考察效果，来进行区域大面积增补钻孔。

考虑到15号煤层的厚度，可采用用千米钻机进行预抽。其施工工艺为，每隔500 m施工一个千米钻机钻场，钻孔采用走向顺层施工，间距为3～5 m，覆盖范围500 m×200 m，直径为96 mm。钻孔布置方式如图3所示。

图3 走向顺层钻孔区域预抽示意

根据某矿15号煤层巷道开拓情况，布孔方式为扇形，钻孔个数15个，覆盖范围为400 m×400 m，每个钻孔的分支数为3～4个，主孔约550 m，分支孔的走向垂距约为13 m，单孔施工进尺一般在约1 200～2 000 m。孔径为96 mm，钻孔施工超前距为30 m。具体的千米钻机钻孔布置如图4所示。

图4 工作面预抽钻孔布置示意

3.3 工作面回采时的瓦斯治理

边采边抽可以用来治理回采期间的瓦斯涌出问题。当预抽时间不足以保证矿井的采掘衔接时，可采用边采边抽[3]。采动的过程会使煤体卸压，给瓦斯造成了新的裂隙空间和流通通道，煤层抽采效果显著，从而降低回采期间的瓦斯涌出[4]。

具体方案如下：

工作面前方抽采钻孔可以提前布置施工，在回采生产过程中边采边抽，抽采时间一般是8 h。待工作面回采推进距抽采钻孔1～3 m时，停止抽采瓦斯，以免通过煤层裂隙吸入空气[5]。

边采边抽是工作面采前预抽的延续，不需要再动工程，但必须做好管理工作，随着工作面的推进，靠近切眼的抽采钻孔不断失效，抽采管路也因逐段卸下而不断变短，XV1302工作面前超前支护大约20 m。由于工作面煤质较硬，钻孔保存完好，在钻孔报废时应及时关闭，以免采面割煤割透钻孔漏气，影响抽采效果。其抽采钻孔与抽管路连接如图5所示。

图5 边采边抽时抽采钻孔与抽管路连接示意

3.4 采空区的瓦斯治理

目前回采的工作面，即新采空区，采用的是钻孔抽采的方法。老采空区(已经采过的工作面)采用的是全封闭式抽采的方法。

1) 顶板高位钻孔。在工作面的回风巷，朝着工作面推进方向的顶板打8个扇形孔，将钻孔布置在裂隙带中，从而进行抽采。负压改变了工作面上隅角瓦斯流场。以此达到解决工作采空区瓦斯涌出、上隅角瓦斯超限的问题(图6)。

图6 倾向高位钻孔抽采上隅角瓦斯示意

2) 全封闭采空区抽采。全封闭采空区老采空区，老采空区内存在大量高浓度瓦斯，从而增加矿井通风的负担和不安全因素。

为了减少密闭采空区的瓦斯向工作面的涌出，采用上隅角插管的方法，抽采上隅角的瓦斯[6]。具体施工如图7所示。采空区插管和主管均需安装阀门，用阀门来控制抽采量及浓度，防治瓦斯向工作面涌出。

图7 全封闭采空区瓦斯抽采布置

4 治理效果

工作面回采期间，抽采瓦斯的平均浓度为1.55%，瓦斯抽采纯量1.63 m3/min；顶板倾向高位钻孔抽采瓦斯的平均浓度为13.22%，瓦斯抽采纯量9.33 m3/min。目前矿井煤层抽采率约为63.20%，瓦斯抽采达标，上隅角瓦斯未出现超限问题。采取的综合治理技术保障了工作面的正常、安全生产，使矿井采掘接续步入良性发展，为矿井创造了良好的安全生产环境，取得了良好的经济效益。

5 结 语

1) 通过在掘进面施工“长钻孔+千米钻孔”预抽的方法，解决了采掘紧张的问题，使矿井采掘接续步入良性发展。

2) 通过采前对工作面施工顺层钻孔，局部空白带，用普通钻机补充钻孔，以及千米钻机施工长钻孔预抽瓦斯，工作面边采边抽技术对于降低回采期间的瓦斯起到重要作用。

3) 通过高位钻孔抽采裂隙带的采空区瓦斯，以及全封闭采空区瓦斯抽采，较大程度降低了上隅角瓦斯浓度。

总之，通过对工作面采取瓦斯综合治理技术，解决了工作面煤层存在的瓦斯压力大、采掘接继困难等问题,保证了矿井安全及正常生产。