正利煤矿14-1102 孤岛工作面瓦斯综合治理技术研究

赵富贵

（山西焦煤集团岚县正利煤业有限公司，山西 吕梁 033000）

1 工作面概况

正利煤矿14-1102 工作面位于一采区轨道上山正南方向，西邻14-1103 采空区，东邻14-1101 采空区，为孤岛工作面。工作面开采4-1号煤层，上邻近层为3 号煤线，下邻近层为4 号煤层。煤层走向近南北，倾向东，倾角约6°，位于太原组顶部，煤厚0.85～4.50 m，平均厚度3.13 m，煤层结构中等，含0～3 层夹矸，夹矸一般为泥岩或炭质泥岩，顶底板多为砂质泥岩或泥岩，属于全井田稳定可采煤层。相邻采空区预留保安煤柱25 m，工作面走向长度1960 m，工作面倾斜长度170 m，两巷采用锚网支护。工作面采用走向长壁一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板。矿井为低瓦斯矿井，14-1102 工作面采用U 型通风系统，14-1102 轨道顺槽进风，14-1102 胶带顺槽回风，工作面回采期间设计配风量为1300 m3/min。工作面通风示意图如图1。

图1 工作面通风示意图

4-1号煤层原煤瓦斯含量为1.98～2.07 m3/t，相对瓦斯压力为0.19～0.23 MPa。预计在开采14-1102工作面时，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为4.79 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为1.69 m3/min。工作面的瓦斯涌出量构成结果见表1。

表1 工作面瓦斯涌出量构成预测结果

2 工作面回采期间瓦斯来源及涌出规律分析

2.1 工作面回采期间瓦斯来源分析

由于14-1102 回采工作面采用“U”型通风方式，随着工作面的回采落煤、邻近层和周边采空区瓦斯涌出，容易造成回采工作面的回风流及回风隅角瓦斯增高。分析其瓦斯来源主要有以下几个方面。

（1）当工作面回采时，短时间内落煤量大，采落破碎的煤体会释放出大量的瓦斯，涌入到工作面及回风顺槽。

（2）4-1号煤层的上邻近层为3-2号煤线，下邻近层为4 号煤层，距离本煤层距离分别为4 m 和3.88 m。在本煤层采动影响下，上、下邻近层的瓦斯将通过顶、底板采动裂隙带向本煤层涌出。

（3）受通风负压的影响，邻近工作面采空区瓦斯涌入到工作面，并且孤岛工作面及其周围巷道附近应力集中程度高，隔离相邻采空区的保护煤柱受压后产生裂隙，相邻采空区内的瓦斯通过裂隙涌入工作面巷道和采空区，造成回风流和回风隅角瓦斯浓度升高。

2.2 工作面回采期间瓦斯涌出量预测

（1）14-1102 两顺槽掘进期间实测瓦斯涌出量

14-1102 上顺槽为1.2 m3/min，14-1102 下顺槽为1.1 m3/min，瓦斯涌出量要小于14-1101 工作面两顺槽，与14-1103 工作面两顺槽接近。

（2）14-1102 两顺槽回采期间预测瓦斯涌出量

根据14-1101、14-1103 工作面实测瓦斯涌出量情况及对瓦斯来源和涌出规律的分析，14-1102 工作面绝对瓦斯涌出量将介于14-1101 工作面和14-1103 工作面之间。预测14-1102 工作面绝对瓦斯涌出量为4.79 m3/min，其中抽采量为1.20 m3/min，风排瓦斯量为3.59 m3/min。

考察了不同甲醇－酸水系统和乙腈－酸水系统（0.05%磷 酸 、0.1%磷 酸 、0.2%磷 酸 、0.5%冰 醋 酸 、0.2%冰醋酸和去离子水），结果表明，甲醇－0.5%冰醋酸溶液作为流动相时，分离度相对较好，基线较平稳，出峰时间适当，故流动相确定为甲醇－0.5%冰醋酸水溶液。

3 工作面回采期间瓦斯治理措施

3.1 保安煤柱的支护和管理

（1）增加保安煤柱厚度，14-1102 两翼煤柱厚度由原设计的20 m 增加为25 m。

（2）14-1102 两顺槽掘进期间对两顺槽保险帮和顶板加强支护，将顶帮原金属网加强为钢筋网；保险帮在原锚网支护的同时，按三花形补强布置3.5 m 锚索，增加煤柱的抗动压抗破坏强度。

（3）14-1102 工作面回采期间不回收两顺槽保险帮的角锚杆和帮锚杆，只回拆顶板的锚杆和锚索。

3.2 相邻采空区瓦斯治理

（1）采空区瓦斯自动释放

与中国矿大联合研究，在14-1101 和14-1103 的防火墙的措施孔上安设自动电控阀门，利用密闭内外压差进行自动疏放采空区内瓦斯，并降低采空区内的压差，疏放瓦斯引排至回风大巷（回风上山），经总回风排出地面。

（2）采空区闭墙插管瓦斯抽采

表2 相邻采空区瓦斯治理方案优缺点对比

经过比较，对14-1101 和14-1103 采空区闭墙进行插管抽采方案可靠，能有效对采空区瓦斯形成负压区域，减少邻近工作面采空区瓦斯涌入到14-1102工作面。因此优先采用方案二治理相邻工作面采空区瓦斯。

3.3 工作面进、回风隅角瓦斯治理

（1）合理调整工作面配风量

参考14-1101、14-1103 工作面的配风量，14-1102工作面设计配风量为1300 m3/min。如果巷道风流中的瓦斯浓度较高可以考虑增加工作面的配风量至1500 m3/min（14-1101 工作面的配风量曾增加到1500 m3/min，回风流瓦斯浓度稳定在0.25%以下）。

（2）工作面进风隅角瓦斯治理

为了减小采空区漏风，矿井需在进风隅角处加强退锚工作，并进行堵漏，防止向采空区漏风，避免带出大量的采空区瓦斯。

（3）工作面回风隅角瓦斯治理

① 高位裂隙带钻孔抽采

高位裂隙带钻孔抽采就是通常所说的卸压层瓦斯抽采。在煤层群条件下，受开采层的采动影响，其上部或下部的邻近层煤层得到卸压而产生膨胀变形，煤层透气性大幅度提高。此时煤层与岩层之间形成的空隙与裂缝，不仅可储存卸压瓦斯，而且也是良好的瓦斯流动通道，适合采用高位裂隙带钻孔抽采邻近层瓦斯解决采空区瓦斯涌出问题。根据工作面初次来压距离及周边其他矿井生产经验，裂隙带高度约为工作面采高的10 倍左右。在胶带顺槽顶板每30 m 施工一组高位裂隙带钻孔，每组6 个钻孔，孔间距0.5 m，钻孔呈扇形布置，钻孔参数见表3。

表3 高位裂隙带钻孔技术参数表

② 采空区插管抽采

回采期间对工作面回风隅角进行插管抽采，主要抽采回风隅角10～20 m 范围内采空区的瓦斯，减少采空区瓦斯向回风隅角的涌出量。瓦斯抽采主管为DN480 螺旋钢管，沿回风大巷布置，抽采支管为DN350 螺旋钢管，沿工作面回风巷安全帮顶部布置，每隔200 m 安装一个阀门和1 台手动放水器。螺旋管长5 m/根，均布三道吸气孔，不用时吸气孔处于封闭状态，当进入采空区时，吸气孔打开。同时，在端头架与煤帮之间，每隔5 m 沿支架切顶线，用编织袋填装煤渣施工一道闭墙，确保闭墙与支架和煤体接触严实，在采空区内形成一个相对封闭的抽采空间，提高抽采效果；同时也可以对抽入管支撑，防止埋入巷道底板；还可减少采空区内的瓦斯涌出。随着工作面推进，抽采管进入采空区内30 m左右时，对抽采支管路进断管一次，抽采管管口用铁纱网包好，以防止煤矸进入抽采管路。抽采管吸气孔布置和工作面的抽采示意图如图2、图3。

图2 抽采管吸气孔布置图

图3 工作面抽采示意图

③ 强制放顶

14-1102 孤岛工作面两顺槽采用“锚梁网+锚索”支护方式，该支护方式有利于加强顶板管理。但是，该支护方式会造成工作面回采后采空区顶板不易垮落，采空区空顶距长，空顶面积大，不利于工作面瓦斯管理。针对上述情况，14-1102 孤岛工作面采用水力切割技术超前卸掉锚杆和锚索托盘，确保机头悬顶控制在3 m 以内，每个生产班后在端头架顶梁前端施工1 组钻杆Φ-32 的顶板预裂钻孔（间距为0.2 m，每组孔数15 个以上，孔深要穿透K4 砂岩，角度向采空区方向倾斜75ɑ），使工作面两顺槽顶板能够随工作面的推进及时冒落，从而减小采空区瓦斯积聚的空间，减少工作面向采空区漏风量，达到降低工作面回风隅角瓦斯浓度的效果。

3.4 工作面均衡生产

综采队严格控制每班割煤刀数在4 刀以内；机头20 架范围内，采机速度控制在1.5 m/min 以下，工作面前半部分时采机速度控制在3 m/min 以下。机头采空区内顶板垮落不好，但未超5 m 时，当班生产控制在3 刀以内；机头采空区内悬顶长度超过5 m 时，停止割煤作业，采取缩小钻孔间距、增加钻孔数量措施，缓慢推进，至采空区垮落。

当班瓦检员、安全员负责割煤刀数和顶板预裂钻孔施工情况的监督和汇报。如果预裂钻孔施工数量和质量达不到要求，瓦检员、安全员要及时汇报调度，调度室主任进行处罚，并安排在下一班开工前重新补充施工，直至达标方可生产。否则，通风区长予以远程断电。

4 结论

通过分析正利煤矿14-1102 孤岛工作面的瓦斯赋存情况、瓦斯来源和涌出规律，根据实际安全生产的需要，有针对性地提出了高位裂隙带钻孔抽采、采空区插管抽采、强制放顶、邻近采空区瓦斯抽采与风排瓦斯相结合的瓦斯综合治理措施，有效降低回风流和回风隅角瓦斯浓度，有效解决孤岛工作面瓦斯超限问题，保证回采工作面安全生产。