下邻近层瓦斯治理对综采工作面安全生产的影响

李小亮，李张彤，王 鸿

(华晋焦煤公司 沙曲二号煤矿， 山西 吕梁 033000)

瓦斯是煤矿生产“六大”灾害之一，也是制约煤矿企业产能提升的重要影响因素。近几年，随着安全管理水平的提升和各类瓦斯综合治理技术的应用，高瓦斯突出矿井综采工作面在瓦斯治理方面取得了成功。但是由于各矿井煤层赋存和顶底板岩性存在差异，下邻近层瓦斯涌出已经成为制约综采工作面安全回采的主要因素，尤其是河东煤田离柳矿区，因为属于近距离突出煤层群开采，下邻近层瓦斯涌出已经占到综采工作面瓦斯涌出量的45%以上，在未进行下邻近煤层瓦斯治理的情况下，综采工作面在回采过程中频繁出现底板瓦斯异常涌出，造成工作面及其回风流瓦斯长期居高不下，而在补充施工下邻近煤层瓦斯治理钻孔后，工作面瓦斯涌出量显著减小。本文通过分析沙曲二号煤矿4401工作面下邻近煤层瓦斯异常涌出现象及其采取的瓦斯治理措施，提出了一套基于长距离定向钻孔抽采下邻近煤层瓦斯的治理方法，以实现工作面的安全回采。

1 工作面概况

1.1 工作面概况

4401综采工作面是四采区4#煤第一个回采工作面，工作面北面为4205、5205采空区，南面为未开拓区，西面为强家塔村庄保安煤柱，东面为四采区集中巷道。4401综采工作面布置轨道巷、胶带巷两条巷道，其中4401轨道巷设计长度847 m，胶带巷设计长度847 m，切眼长220 m，采高2.4 m. 工作面地质条件相对简单，整体为一单斜构造，局部有小型断裂及褶皱构造，煤层倾向WN，倾角3°～6°，平均为4°. 在4401轨道巷里程612 m处揭露正断层F4SZ41(182°∠82°h=0.8 m)，工作面在回采过程中揭露正断层F4SZ73(182°∠28°h=2.3 m).

1.2 工作面通风系统情况

4401综采工作面设计采用沿空留巷“Y”型通风方式，即在工作面回采过程中，4401胶带巷作为主要进风巷道，4401轨道巷作为辅助进风巷道，4401轨道巷后部采用沿空留巷作为工作面回风巷，回风经3402回风联络巷、3402轨道巷、回风大巷，回入回风斜井。工作面回采期间总配风量1 688 m3/min，其中4401胶带巷配风量1 100 m3/min，4401轨道巷配风量588 m3/min.4401工作面通风系统图见图1.

图1 4401工作面通风系统图

1.3 工作面瓦斯综合治理措施及实施情况

根据分源预测法，4401综采工作面的瓦斯主要来源于本煤层、下邻近5#煤层，结合相邻4205综采工作面和4204综采工作面的瓦斯治理措施及其治理效果，4401综采工作面主要采用：本煤层顺层钻孔抽采、顶板走向裂隙带钻孔抽采和沿空留巷埋管抽采3种瓦斯治理方法。

1) 4401工作面顺层钻孔抽采。在4401轨道巷160 m、630 m处钻场，利用澳钻施工了长距离定向钻孔。对于长距离定向钻孔未辐射的空白带区域，在4401胶带巷利用国产钻机补充施工了本煤层钻孔，用于抽采本煤层瓦斯。本煤层钻孔设计图见图2.

2) 4401工作面高位裂隙带钻孔抽采。在3402轨道巷施工4401工作面高位裂隙带钻孔，用于抽采4401工作面回采期间的裂隙带瓦斯，高位裂隙带钻孔设计图见图3.

图3 4401工作面高位裂隙带钻孔设计图

3) 沿空留巷压埋管抽采。在留巷段充填墙体上前30 m内每间隔3 m预留一根DN219 mm抽放管，之后每隔9 m预留一根DN110 mm抽采管，用于抽采4401沿空留巷墙体和采空区瓦斯。压埋管抽采设计见图4.

图4 4401工作面沿空留巷压埋管抽采设计图

2 工作面回采期间出现的异常瓦斯涌出

2.1 工作面瓦斯异常涌出

4401综采工作面于2017年9月24日开始回采，至2018年3月14日，累计推进155 m. 2018年3月16日，工作面揭露正断层F4SZ41(182°∠82°h=0.8 m)，在过断层过程中工作面底板出现多处裂隙，涌出大量瓦斯，造成工作面及其回风流瓦斯浓度异常升高，其中工作面瓦斯浓度由0.36%增加至0.78%，回风瓦斯浓度由0.46%增加至0.76%. 因工作面底板瓦斯大量涌出，工作面多次出现瓦斯断电闭锁。为确保工作面安全，4401工作面停止生产，开始补充施工下邻近层瓦斯治理钻孔。工作面底板瓦斯异常涌出期间的瓦斯涌出量见表1.

表1 4401综采工作面瓦斯涌出量表

2.2 瓦斯异常涌出来源分析

根据工作面现场观测，4401综采工作面13#—19#支架、70#—90#支架、100#—120#支架等处下邻近及煤壁出现多条裂隙。工作面70#—90#支架段存在正断层F4SZ41(182°∠82°h=0.8 m)地质构造。通过对比4401综采工作面正常回采期间和底板瓦斯异常涌出期间的瓦斯观测数据见图5.由图5可以看出，工作面在正常生产与检修期间，瓦斯浓度增量在0.10%左右，瓦斯涌出量较为稳定。当工作面揭露正断层F4SZ41，在采动影响下工作面底板及煤壁出现多条裂隙，大量涌出瓦斯，导致工作面进风至机尾段瓦斯浓度增加0.20%～0.30%.

图5 4401工作面瓦斯浓度变化趋势图

通过分析工作面瓦斯地质情况，认为正断层F4SZ41的存在，导致下邻近5#煤层瓦斯大量积聚在断层前部，当工作面揭露断层时，下邻近层瓦斯通过采动裂隙涌入工作面，造成工作面瓦斯涌出量大幅增加。

2.3 瓦斯治理措施

4401工作面相邻的二采区4#煤层回采过程中，下邻近5#煤层从未出现异常涌出，且4401工作面相邻的4#、5#煤层工作面均已安全回采，因此在瓦斯治理设计中未考虑到下邻近层瓦斯涌出会对工作面安全回采造成影响，该工作面未设计、未施工下邻近层瓦斯治理钻孔。根据4401综采工作面瓦斯异常涌出原因分析和工作面实际情况，参考文献[1，2]，制定并实施了以下瓦斯治理措施：

1) 在4401综采工作面瓦斯涌出点集中的70#—90#支架段等区域，向底板方向间隔2 m施工孔深1.5 m钻孔，抽采底板瓦斯。

2) 在4401轨道巷距切眼15 m处施工下邻近5#煤层钻孔7个，钻孔终端穿过下邻近5#煤层底板以下1 m，抽采下邻近5#煤瓦斯。

3) 在4401轨道巷从切眼往外间隔6 m，施工4#煤本煤层钻孔4个，钻孔终端穿过工作面地质构造，抽采70#—90#支架处构造内赋存瓦斯，同时牵制下邻近5#煤层瓦斯涌向4401综采工作面空间。

4) 在4401轨道巷510 m处钻场分别施工4#煤本煤层长距离钻孔和下邻近5#煤层长距离钻孔，补充4401综采工作面回采前未施工的下邻近5#煤层瓦斯治理钻孔，牵制下邻近5#煤层瓦斯涌向4401综采工作面空间。

5) 对4401胶带巷运输机头40 m范围内进行扩帮、对4401沿空留巷水仓处进行拉底，扩大通风断面，降低4401综采工作面负压，减少4401综采工作面采空区和下邻近5#煤层瓦斯涌出。

6) 对4401工作面风量进行调整，将4401胶带巷进风量由1 150 m3/min增加至1 320 m3/min，将工作面总风量由1 688 m3/min增加至1 929 m3/min.

7) 启动2#瓦斯抽放泵站一台瓦斯排空泵，专门用于增加4401综采工作面抽放负压，提高4401综采工作面瓦斯治理钻孔的抽采量。4401工作面瓦斯治理钻孔施工图见图6.

图6 4401工作面瓦斯治理钻孔施工图

3 瓦斯治理效果考察

3.1 瓦斯治理效果

1) 随着下邻近5#煤层瓦斯治理钻孔和70#—90#支架构造处瓦斯治理钻孔的施工，4401综采工作面和回风瓦斯浓度逐渐降至0.7%以下，并呈现出下降趋势，直至恢复到0.50%以下。这说明下邻近5#煤层的瓦斯治理工作，对4401综采工作面底板瓦斯涌出和工作面70#—90#支架构造处瓦斯涌出起到了极大地牵制作用，有效降低了工作面瓦斯浓度。

2) 在4401综采工作面切眼瓦斯涌出集中区域施工底板瓦斯治理钻孔期间，虽然钻孔孔深只有1.5 m，但钻孔内瓦斯压力明显，尤其在70#—90#支架构造处及其附近，不但瓦斯压力大，孔内的瓦斯浓度也很高，均在70%以上。这说明地质构造对瓦斯赋存影响较大，在今后的瓦斯治理过程中，必须要对下邻近煤层瓦斯进行治理，尤其是存在地质构造的工作面，必须提前探明构造区域的瓦斯赋存情况。

3) 根据4401综采工作面抽采瓦斯及风排瓦斯数据分析4401沿空留巷抽采量与总量对比图见图7，3402裂隙带钻孔抽采量与总量对比图见图8，采取补充瓦斯治理措施后，4401综采工作面瓦斯抽采总量由9.66 m3/min增加至16.69 m3/min. 其中，4401沿空留巷抽采管路带抽下邻近5#煤层钻孔后，抽采纯量由1.2 m3/min增加至3.58 m3/min；4401轨道巷510 m处钻场内的5#煤层长距离钻孔全部施工完成后，该钻场内的4#煤层和5#煤层瓦斯抽采纯量持续保持在5 m3/min以上；提高4401裂隙带钻孔的抽采负压后，裂隙带钻孔抽采纯量由8.7 m3/min增加至12.3 m3/min，随着下邻近5#煤层钻孔施工完成并开始抽采，4401裂隙带钻孔的抽采量逐渐衰减，恢复至以前的6～8 m3/min；4401胶带巷施工的4#煤层本煤层钻孔抽采纯量始终在0.20 m3/min左右，在瓦斯异常涌出期间也未出现明显变化，这也反应出该次瓦斯异常涌出的瓦斯来源主要为下邻近5#煤层。

4) 4401综采工作面瓦斯治理钻孔补充施工时的配套措施，如调整抽采系统、增加抽采负压等，有效增加了工作面的瓦斯抽采效果，提高了工作面抽采率。

5) 在4401工作面恢复生产后，发现轨道巷和工作面底板补充施工的短距离下邻近5#煤层钻孔的抽采时间较短，仅抽采了小范围内的5#煤层瓦斯，且在抽采3～5 d后钻孔已无明显压力，工作面架间瓦斯浓度也降至0.12%. 4401轨道巷510 m处钻场施工的长距离下邻近5#煤层钻孔的抽采时间较长，且抽采纯量长期保持在5 m3/min以上，直至4401综采工作面回采推过510 m处钻场前，一直能实现有效抽采。

图7 4401沿空留巷抽采量与总抽采量对比图

图8 3402裂隙带钻孔抽采量与总抽采量对比图

4 结论和建议

沙曲二号煤矿4401综采工作面因下邻近5#煤层瓦斯异常涌出，影响了矿井安全生产。因此，该矿引进了ZDY-12000、ZDY-15000、ZDY-17000等扭矩在12 000 N·M以上的定向钻机，在四采区、九采区施工下邻近煤层定向长距离钻孔，彻底解决下邻近层瓦斯涌出问题。

在4401综采工作面回采过程中，通过观察下邻近煤层定向钻孔的抽采参数，提出下邻近煤层瓦斯治理建议：

1) 回采工作面下邻近煤层瓦斯治理钻孔施工位置的选择对于下邻近层瓦斯抽采效果有着直接影响，在设计下邻近层瓦斯治理钻孔时，要充分分析工作面瓦斯地质情况和煤层赋存情况，选择合适的钻孔施工位置。

2) 综采工作面顺槽巷道施工的下邻近煤层中的上行钻孔因布置位置原因，在回采时被破坏后无法带抽，容易造成钻孔瓦斯涌出；下行钻孔施工时容易发生瓦斯喷孔，且抽采过程中容易受到钻孔积水、积渣等因素影响，抽采效果不佳。在布置下邻近层钻孔时，要根据巷道布置情况，尽量施工上行钻孔，且要保证钻孔能长时间抽采，不被回采截断。

3) 综采工作面顺槽巷道施工的下邻近煤层钻孔存在瓦斯治理空白带，应考虑采用水力压裂技术，提高钻孔辐射范围。

4) 底板瓦斯抽放巷施工下邻近煤层瓦斯治理钻孔,具有抽采方式多样、抽采时间长和可实现立体抽采的优点，是一个值得推广的抽采方法。