高位裂隙带瓦斯预抽技术在回采工作面中的应用

杨鹏飞

（晋能控股煤业集团安全督察大队，山西 大同 037000）

1 工作面概况

王庄煤矿主采3#煤层，1301 综采工作面位于王庄煤矿一采区，工作面周边无采空区，工作面走向可采部分为切眼向外441 m，切眼长240 m，采煤工艺为综采，顶板处理采用全部垮落法，工作面通风方式为U 型通风。根据矿井3#煤层瓦斯涌出量预测报告以及工作面实际情况可知，一采区范围内的最大瓦斯含量在11.95 m³/t 左右，1301 工作面回采期间的最大瓦斯涌出量可达14.81 m³/min，平均瓦斯涌出量在8.49 m³/min 左右。

2 瓦斯地质情况

2.1 地质情况

1301 综采工作面所在3#煤层属二叠系下统山西组，最小煤厚4 m，最大煤厚4.4 m，均厚4.2 m，平均煤层倾角4°，煤体硬度系数在0.5～1.0 之间，煤层存在炭质泥岩夹矸，夹矸均厚0.7 m。该煤层煤质为贫煤，结构较为单一，煤层厚度变化不大，赋存稳定，煤体以块、粒状为主。煤层基本顶平均厚度为13 m，由砂岩和泥岩混合构成，岩层内裂隙发育；直接顶平均厚度为2.4 m，由砂质泥岩构成；伪顶平均厚度1.3 m，由泥岩构成，易冒落。

2.2 瓦斯赋存情况

工作面所采3#煤层瓦斯透气性系数大致为0.099 7 m2/MPa2·d，瓦斯放散初速度△p=13～19，瓦斯涌出衰减系数为0.563 9，百米钻孔初始瓦斯涌出量为0.128 m3/min·hm，煤层孔隙率为2.0%～3.4%。经测定，1301 综采工作面煤层瓦斯含量为5.96～11.76 m3/t，瓦斯残存含量2.74 m3/t，瓦斯最大压力值为0.45 MPa，小于0.74 MPa。

3 先期瓦斯治理措施及效果分析

3.1 先期瓦斯治理措施

1301 综采工作面的先期瓦斯治理方式为本煤层顺层钻孔抽放与采空区埋管抽放。

（1）本煤层顺层钻孔抽放。如图1 所示，首先在1301 工作面瓦斯排抽巷和运输顺槽交错布置顺层瓦斯抽放钻孔，钻孔距顶板1 m，垂直于巷帮，孔间距为5 m，孔深130 m。钻孔施工完成后埋入抽放管，使用聚氨酯进行封孔处理。然后在工作面切眼内垂直于煤壁布置顺层瓦斯抽采钻孔一排，孔间距为2 m，孔深60 m。钻孔施工完成后同样埋入抽放管并进行封孔。最终，将所有抽放管与一采区瓦斯抽放泵站的主管路连接，进行工作面瓦斯预抽。

图1 1301 工作面顺层瓦斯预抽钻孔布置示意图

（2）采空区埋管瓦斯抽放。工作面在回采期间，在1301 瓦斯排抽巷安装低负压抽采管路一趟，管路采用阻燃材质的PVC 管，直径为150 mm，长度为50 m，共7 根。在抽采管路上安装三通，接入抽采花管，三通安装间隔为20 m。随后将花管埋入采空区进行瓦斯预抽，花管埋入长度应大于30 m。

3.2 效果分析

对1301 工作面实施本煤层顺层钻孔瓦斯抽放及采空区埋管瓦斯抽放后，回采期间工作面内煤壁处最高瓦斯浓度为1.1%，平均瓦斯浓度为0.4%，上隅角最大瓦斯浓度为2.1%，平均瓦斯浓度为1.4%。受到采空区瓦斯涌出的影响，在切眼87 架到131架之间的机道附近最大瓦斯浓度为2.8%，平均瓦斯浓度为1.9%，回采过程中因瓦斯超限触发断电共计3 次。

对工作面现场进行观察分析发现，1301 工作面内瓦斯来源主要为本煤层赋存瓦斯以及工作面上覆岩层裂隙内瓦斯两部分，其中上覆岩层裂隙内瓦斯占比将近40%。随着工作面推进过后采空区顶板垮落，上覆岩层裂隙内瓦斯通过采空区涌入工作面[1-4]，仅采用本煤层顺层钻孔抽采以及采空区埋管抽采无法满足工作面瓦斯治理需要。针对这种情况，王庄煤矿研究采用了高位裂隙带瓦斯抽采技术抽采上覆岩层内瓦斯。

4 高位裂隙带瓦斯抽采技术

为保证1301 综采工作面在回采期间的安全生产，针对上覆岩层内赋存的瓦斯采取高位裂隙带瓦斯抽采技术。

4.1 设备选取

由于本次1301 综采工作面上覆岩层裂隙带瓦斯抽采钻孔角度为仰角，使用水力冲出孔内煤屑。选用型号为C60P-400 液压钻机，钻杆规格为Ф73 mm，长1.5 m，钻头采用规格Ф85 mm 的三棱复合钻头+Ф110 mm 的扩孔钻头。封孔设备选用型号为SGB8-12 的注浆机，注浆效率为88 L/min，注浆机功率为22 kW，配备Ф90 mm、长1.5 m 的PE 管4根。C60P-400 液压钻机技术参数见表1。

表1 C60P-400 液压钻机技术参数表

4.2 高位钻场布置

（1）在1301 工作面瓦斯抽排巷内沿煤层顶板施工高位钻场，深4 m，高2.5 m，宽4.5 m，在停采线向工作面切眼方向150 m 处开始施工高位钻场，并以50 m 间距向切眼方向继续施工高位钻场共6 个。

（2）钻场顶板支护采用锚杆+JW 钢带、锚索+吊棚联合。锚杆采用高强度左旋螺纹钢材质，打设间排距为1 m，每4 根锚杆配套一条JW 钢带，钢带长4.2 m，锚索长度为5 m，一排打设3 根锚索，每排锚索吊挂一根工字钢梁，间距2 m，共计施工两排。巷帮打设玻璃钢锚杆，间排距为1.2 m×1 m，共施工两排锚杆。

4.3 钻孔参数

如图2 所示，在高位钻场内部切眼侧巷帮布置瓦斯抽放钻孔，每个钻场布置4 个，编号为1#～4#，开孔位置位于顶板以下1 m 处，孔间距1 m，孔径85 mm，孔深130 m，钻孔距巷帮0.5 m。1#孔倾角为+9°，水平夹角为30°，终孔位置与顶板垂距为19 m；2#孔倾角为+7°，水平夹角为22°，终孔位置与顶板垂距为15 m；3#孔倾角为+5°，水平夹角为14°，终孔位置与顶板垂距为10 m；4#孔倾角为+3°，水平夹角为6°，终孔位置与顶板垂距为6 m。

图2 高位瓦斯抽采钻孔布置平面示意图

4.4 封孔工艺

钻孔打设完成后，首先对钻孔前11 m 进行扩孔处理，采用Ф110 mm 的扩孔钻头进行，扩孔完成后在孔内埋入瓦斯抽放管路4 根，每根1.5 m，以丝扣连接紧固。管路下设完成后，在管路与孔壁间隙内埋入注浆软管，直径为16 mm，长度6 m，下设完成后采用膨胀水泥对孔口和扩孔结束位置分别进行封孔处理，封孔长度同为0.5 m。封孔工艺示意图如图3。封孔完成后，连接注浆软管与注浆泵进行注浆，向孔壁与注浆管路空隙内注入配比为7:1:12 的水泥、石膏及清水混合浆液，注浆压力为12 MPa。

图3 封孔工艺示意图

5 结论

（1）1301 工作面在回采前期，采用了顺层钻孔进行本煤层瓦斯抽放及采空区埋管抽放的方式，抽采效果未达到预期，导致工作面内瓦斯频繁超限，严重影响工作面生产安全及效率。通过对工作面现场进行观察分析，发现工作面内瓦斯来源为本煤层瓦斯以及上覆岩层裂隙内瓦斯，研究采用了高位裂隙带瓦斯抽采技术对上覆岩层裂隙内瓦斯进行抽采。

（2）截至2021 年2 月，1301 综采工作面全部回采结束，实施高位裂隙带瓦斯抽采技术后，工作面回采期间瓦斯涌出量明显减少，上隅角瓦斯浓度保持在0.5%以内，机道位置瓦斯浓度保持在0.8%以内，采空区内瓦斯浓度保持在3%以内，瓦斯治理效果显著。工作面直至回采结束未出现瓦斯超限导致断电的情况，工作面的生产安全及效率得到有效保障。