某矿1010203工作面瓦斯防治系统设计

钟向锋，赵明明

(陕西小保当矿业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

随着陕西矿井的现代化建设与煤田的大规模开发利用，采空区瓦斯涌出异常现象日益突出，已经严重威胁到矿井安全、高效开采。近年来，国内许多学者进行了瓦斯防治方面的课题研究。吕文陵等[1-2]针对国阳二矿高瓦斯自燃煤层综放开采的实际情况，分析了“U+Ⅱ”型孤岛综放面采空区遗煤自燃特点及危险性。利用单元法对孤岛面的漏风状况进行了现场实测，基于数值模拟结果分析了综放采空区内的漏风流场，最后根据采空区自燃“三带”的渗流风速确定了可能自燃带的范围。秦波涛等[3]为解决瓦斯与煤自燃复合灾害的重大隐患，建立了“W”型通风方式条件下交错钻场高位钻孔抽放、旁路式倾向高位钻孔抽放、邻近采空区钻孔抽放等立体瓦斯抽放体系；同时提出了采用三相泡沫对采空区浮煤覆盖、不燃高倍数固化泡沫对漏风地点迅速封堵、易自燃区域目标注氮惰化、支架后面注塑性水玻璃凝胶堵漏降温等“注-堵”成套防灭火关键技术，有效地解决了采空区煤自燃危险性。李励[4]成功地运用了预抽瓦斯、边采边抽瓦斯和采空区瓦斯抽采技术，解决了综放面瓦斯集中涌出的难题，保证综放面连续安全生产。屈庆栋等[5]对比研究关键层运动对邻近层瓦斯动态涌出的影响，发现不同覆岩关键层结构条件下，邻近层瓦斯涌出的动态过程是不一致的，进一步证实了关键层运动对邻近层瓦斯动态涌出的控制作用。陈建强[6-7]研究了急倾斜煤层综放工作面瓦斯的涌出特点，提出了瓦斯防治的一整套措施，实现了急倾斜特厚煤层综放工作面的安全开采。王佑安等[8]分析了综放面的瓦斯涌出特点，认为绝对瓦斯涌出量成倍增加，而相对瓦斯涌出量减少；采空区瓦斯涌出量增大，瓦斯涌出不均衡等，并提出了防治措施。程志恒等[9]总结分析了综放工作面瓦斯防治技术，通过布置内错尾巷以构建“U+I”型通风方式实现了上隅角瓦斯治理，通过布置走向高抽巷实现了邻近层瓦斯卸压抽采，抽采量高达100 m3/min，抽采率超过90%。王长元等[10]根据综放面煤层自然发火的特点，分析了煤层自然发火的原因，提出综放面的管理技术措施和不同回采时期的自燃火灾综合防治措施。程国明等[11-12]综述了国内综放瓦斯理论的现状和高瓦斯及突出矿井治理瓦斯的措施，指出了综放瓦斯防治理论、高瓦斯及突出矿井综放面瓦斯治理中存在的问题。张新战等[13]针对急倾斜特厚煤层高阶段综放开采下易导致瓦斯突然急剧释放、瓦斯超限及综合治理难题，以乌东煤矿西采区安全开采为研究背景，采用理论分析、实验测试和现场试验等方法，提出了基于矿压调控的瓦斯立体抽放工艺技术，开展现场应用验证，实现了工作面安全高效生产。

通过现场实测和理论分析的方法，针对该矿井瓦斯抽采效率低的现象，提出了1010203工作面分区预抽放钻孔设计方案。同时，基于分区抽放钻孔设计方案实施效果，给出了瓦斯抽放管路的布设方式，提出了工作面在掘进期间利用风排方式和工作面回采前对煤层进行分区预抽的两种瓦斯治理方案。

1 工作面瓦斯来源分析

1.1 矿井瓦斯概况

陕西某矿1010203工作面布置位于该矿井一采区的西翼，其走向长度为1 469 m，宽度为192 m，采用放顶煤开采方式；根据重庆煤科院编制的瓦斯抽采工程初步设计说明书中，确定1010203工作面所属B2煤层吨煤瓦斯含量为2.35～5.8 m3/t，可解析出瓦斯含量为1.046 2～4.470 3 m3/t，透气性系数为0.001 1～0.045 4，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.031 3～0.258 8，故确定该矿井属高瓦斯矿井。本矿区地表地貌如图1所示。

图1 矿区地表地貌

1.2 瓦斯来源分析

B2煤层在本区域为原始煤层，瓦斯主要来源于煤层本身。巷道在掘进过程中，瓦斯沿采动产生的裂隙向巷道涌出。工作面随着开采时间的推移，工作面落煤强度逐渐增大，在单位时间内围岩和邻近层受开采煤层采动卸压影响范围增大，特别是老顶大面积垮落后，采空区内冒落空间增大，顶板冒落高度增加，裂隙带发育较高。另因煤层群联合开采，且上下邻近层数量较多，开采过程中，邻近层会解析出大量瓦斯，并通过裂隙涌出采空区。同时每层煤采用综放开采，由于采空区丢落煤多，进一步解吸出大量瓦斯；当顶板周期垮落时，采空区内冒落空间积聚大量的瓦斯被挤压出采空区，瞬间采空区瓦斯涌出量急剧增大，占工作面瓦斯涌出量的60%～70%，成为回采期间瓦斯的主要来源。

2 1010203工作面瓦斯抽放系统设计

2.1 瓦斯抽放钻孔设计方案

设计第1阶段：第1阶段为1010203工作面前500 m区域，由于其工艺巷掘进进度不能满足抽放预抽钻孔的布置要求，故计划实行分区抽放。即在1010203工作面的下顺槽与上顺槽分别布置预抽瓦斯钻孔。①1010203下顺槽钻孔布置。钻孔沿煤层走向布置、沿倾向施工，不施工钻场。根据同一煤层1010201综放工作面抽放半径试验结果，初步计划对下顺槽第1段预抽钻孔参数间距取6.5 m，具体情况可根据现场实际情况和瓦斯抽放效果进行调整。钻孔深度88 m，孔径≥153 mm。具体布置方案如图2所示，其预抽钻孔技术参数见表1。②1010203上顺槽钻孔布置。钻孔沿煤层走向布置、沿倾向反向施工俯孔，钻孔参数间距取6.5 m，具体情况可根据现场实际情况和瓦斯抽放效果进行调整。钻孔深度88 m，孔径≥153 mm。具体布置方案如图3所示，其预抽钻孔技术参数见表2。

图2 1010203下顺槽第1阶段预抽钻孔布置剖面

表1 1010203下顺槽预抽钻孔技术参数表

图3 1010203上顺槽第1阶段预抽钻孔布置剖面

表2 1010203上顺槽预抽钻孔技术参数

设计第2阶段：1010203工作面第2阶段为500 m后瓦斯抽放区域，此阶段预抽孔在下顺槽和工艺巷布置。①1010203下顺槽钻孔布置。钻孔沿煤层走向布置、沿倾向施工，不施工钻场。计划将下顺槽预抽钻孔参数间距取6.5 m，具体情况可根据现场实际情况和瓦斯抽放效果进行调整。钻孔长度为88 m，孔径≥153 mm。具体布置方案如图4所示，其预抽钻孔技术参数见表1。②1010203工艺巷钻孔布置。钻孔沿煤层走向布置、沿倾向施工，不施工钻场。计划将工艺巷预抽钻孔参数间距取6.5 m，具体情况可根据现场实际情况和瓦斯抽放效果进行调整。钻孔长度为88 m，孔径≥153 mm。具体布置方案如图5所示，其预抽钻孔技术参数同表1。

图4 1010203下顺槽第2阶段预抽钻孔布置剖面

图5 1010203工艺巷预抽钻孔布置剖面

2.2 瓦斯插管抽放设计方案

采空区插管抽放：采空区插管抽采方法，选择φ315PE抽采管路对采空区瓦斯进行抽放，每节抽放管路长6 m。采空区插管抽放深度不超过6 m，随着工作面的推进，使用特制3 m短管对6 m抽放管路进行更换，随即对更换的抽放管路进行回收，更换步距为3 m，交替进行。抽放采用敞口式，管口利用钢丝网进行保护，防止煤渣等杂物被吸入抽放管内。

上顺槽、工艺巷高位孔抽放设计：上顺槽距离工作面切顶线10 m范围内每隔5 m左右，向上隅角采空区施工钻孔，钻孔连接到隅角插管三通进行抽放。布置方案如图6所示。钻孔技术参数：孔径133 mm，仰角70°，钻孔间距5 m，孔深为30 m。

图6 上顺槽高位孔钻孔布置

工艺巷每隔50 m施工一组高位孔，每组3个孔，间距为1 m，分别施工至工作面95#、100#、105#支架上部距离底板30 m上部采空区，钻孔连接到工艺巷高压抽放管路进行抽放。布置方案如图7所示。其预抽钻孔技术参数见表3。

图7 工艺巷高位孔钻孔布置

表3 工艺巷高位钻孔技术参数

3 瓦斯防治方案确定

3.1 瓦斯抽放管路布设

1010203上顺槽：地面固定抽放泵站→风井→1432回风石门→B2回风斜巷→B2回风上山→1010203工作面上顺槽，管线铺设总长为2 992 m。

1010203工艺巷：地面固定抽放泵站→风井→1432回风石门→B2回风斜巷→B2回风上山→+1318水平回风巷→1010203下顺槽→1010203工艺巷，管线铺设总长度为3 350 m。

1010203下顺槽：地面固定抽放泵站→风井→1432回风石门→B2回风斜巷→B2回风上山→+1318水平回风巷→1010203下顺槽，管线铺设总长度为3 260 m。

抽放管路在巷口处各安设一个支管路阀门，每个抽放钻场处，预留一个管路三通，定期使用CJZ7便携式瓦斯参数测定仪测定支管路的流量等数据。

3.2 瓦斯治理方案

基于重庆煤科院提供的瓦斯参数测定结果以及煤层揭露时瓦斯涌出量观测结果分析，可得出以下两种方案。①1010203工作面掘进期间不进行抽放作业，利用风排方式可对瓦斯进行有效控制；②1010203工作面回采前进行煤层分区预抽的方法治理瓦斯灾害，确保工作面瓦斯抽采达标。

4 结论

(1)基于该矿实测资料对瓦斯涌出构成及来源进行了分析，尤其在多煤层联合综放开采方式下，由于采空区内冒落空间积聚大量的瓦斯被挤压出采空区，导致瞬间采空区瓦斯涌出量急剧增大，占工作面瓦斯涌出量的60%～70%，故成为回采期间瓦斯的主要来源。

(2)针对瓦斯抽采效率低的问题，提出了1010203工作面分区预抽放钻孔设计方案。即在工作面500 m前对其下顺槽与上顺槽分别布置预抽瓦斯钻孔和在工作面500 m后对其下顺槽和工艺巷分别布置预抽瓦斯钻孔，实现了较为理想的瓦斯预抽效果。

(3)基于分区预抽放钻孔设计方案的实施效果，给出了瓦斯抽放管路的布设方式。同时提出了两种瓦斯治理方案。即在1010203工作面掘进期间利用风排方式控制瓦斯和工作面回采前对煤层进行分区预抽。