高瓦斯薄煤层瓦斯综合治理技术研究与应用

孙凯岩

（山西华阳集团 新能股份有限公司二矿，山西 阳泉 045000）

1 概 况

山西华阳集团新能股份有限公司二矿位于山西阳泉矿区，井田占地面积约为116 km2，井田南北走向长度约为16 km，工业储量约为1 895.76 Mt，设计生产能力为3.7 Mt/a，矿井以2 个矿井进行全井田开拓，其中1 号井内九七盘区的97307 工作面煤层埋深290～370 m，煤层平均厚度1.7 m，倾角为2°～9°，属于薄煤层，工作面走向长1 402 m，倾向长179 m。查阅煤矿地质资料，97307 工作面属于低透气性煤层的高瓦斯工作面[1]，在综采作业中容易出现瓦斯浓度因聚集增加导致的爆炸事故发生，目前工作面的通风系统布置如图1 所示。有2个进风巷道（97213、97214）和1 个回风巷道（97215），形成Y 型通风结构[2]，但由于沿空留巷段采空区两巷风压不平衡导致通风阻力增大[3]，瓦斯排放效果并不理想，因此采用瓦斯综合治理技术，解决瓦斯井下集聚问题，降低瓦斯安全隐患风险，对安全开采作业有着极大的现实意义。

图1 97307 工作面通风系统布置示意Fig.1 Ventilation system layout diagram in No.97307 Face

2 瓦斯综合治理技术

根据二矿97307 工作面开采工艺以及瓦斯治理系统，从采空区漏风治理、瓦斯积聚抽采2 个方面进行瓦斯综合治理。

2.1 采空区漏风治理措施

矿区内97306 工作面结构与97307 工作面结构基本相同，但通风系统采用的是U 型结构，为了验证U 型与Y 型结构通风系统效果，对比了2 种通风系统在采用切顶卸压自动留巷开采工艺[4]时上隅角瓦斯浓度，发现Y 型结构通风系统在开采同时期瓦斯浓度可降低0.17%～0.27%，浓度对比如图2 所示，表明当前Y 型结构通风系统效果优于U 型结构，但在实际开采中发现，Y 型通风系统沿空留巷段采空区两巷风压不平衡[5]，虽然可以通过调节2 个进风巷道风量，降低风压压差，但过长的通风路线使得通风阻力大[6]，尤其是沿空留巷段在进行大型设备转运时，巷道通风量会受到明显影响[7]，导致瓦斯浓度监测系统报警的情况时有发生，通过监测发现当前Y 型通风系统存在漏风问题，尤其在沿空留巷段尾部20 m 范围内尤为明显，且瓦斯抽放埋管直径偏小，抽排量小于了漏风量，造成挡矸墙前瓦斯偏高并向外涌出现象[8]，采空区漏风治理采用调压减漏和封堵封漏2 种措施[9]。

图2 上隅角瓦斯浓度变化曲线图Fig.2 Curve of gas concentration change in upper corner

2.1.1 调压减漏

采空区漏风量的影响因素之一是97213 巷和97214 巷2 个进风巷道存在的压差，进风巷道风量分别为1 200 m3/min、650 m3/min，对应的监测压差值为42 Pa；调整进风巷道配风量为950 m3/min、1 100 m3/min 后，2 个进风巷导致的沿空留巷通风风压差下降了24 Pa，达到较低的15 Pa，进风压差降低，采空区气体向留巷段泄露的动力降低，监测发现漏风量下降了42 m3/min，稳定在38 m3/min，挡矸墙前瓦斯浓度降低了0.37%。

2.1.2 封堵封漏

对采空区挡矸墙进行密封，降低漏风量。挡矸墙采空区侧用风筒布、铁丝网和钢筋网结构进行密封[10]，外侧采用木板、风筒布和塑料网结构并进行混凝土喷浆结构进行密封。施工后采空区内瓦斯浓度保持在2.1%左右，挡矸墙外侧瓦斯浓度为0.7%左右，提升了瓦斯治理效果，挡矸墙结构示意如图3 所示。

图3 挡矸墙结构示意Fig.3 Structure of gangue retaining wall

2.2 瓦斯积聚抽采

单一降低采空区漏风量的措施不能完全实现瓦斯安全治理目标，需要对工作面煤层钻孔进行瓦斯预抽排，以降低综采过程中巷道瓦斯积聚。煤层中瓦斯抽排钻孔的设计与布置是关键，结合工作面煤层特点，采用顶板走向高位长钻孔和倾向高位钻孔为主、顺层钻孔为辅的方式进行瓦斯积聚抽排。

2.2.1 顶板走向高位长钻孔

在97307 工作面设置4 个顶板走向高位定向长钻孔，钻孔布局如图4 所示，钻孔起始位置为97214 通风巷，沿着顶板走向向工作面上隅角方向施工，利用ZDY-11800LD 型钻机，钻杆直径120 mm，钻孔长度最长为600 m，在裂隙带里进行定向钻孔，能够在钻孔和钻场数量较少的情况下，进行大流量瓦斯混合气体抽排，且施工难度低，成本低。

图4 沿空留巷工作面顶板走向高位长钻孔布局Fig.4 Layout of high-level long boreholes along the roof of gob-side entry retaining working face

2.2.2 顶板走向高位普通钻孔

顶板走向高位普通钻孔钻场从在97214 巷距离切眼位置50 m 处开始，间隔50 m 设置24 个钻场，钻场为上边3 m、底边6 m、深度3 m 的梯形结构，钻场高度与97214 巷高度相同，从钻场向工作面上隅角方向打扇形顶板穿层钻孔，钻孔直径为113 mm。

2.2.3 顶板倾向高位钻孔

顶板倾向高位钻孔区间为97215 巷接近切眼位置处至设计停采线20 m 处，共布置232 个倾向高位钻孔，通过瓦斯抽采，使采空区形成微负压，避免采空区瓦斯从挡矸墙缝隙扩散至留巷段。钻孔水平倾角20°，倾向长度为65 m，垂直高度为21 m，在距离切眼位置300 m 范围内，孔间距6 m，后段孔间距为10 m，倾向高位钻孔直径为113 mm，顶板倾向高位钻孔布置如图5 所示。

图5 沿空留巷工作面顶板倾向高位钻孔布置Fig.5 Layout diagram of high-level boreholes in roof tendency of gob-side entry retaining working face

2.2.4 顺层钻孔

在97214 巷距离切眼10 m 处至停采线前10 m范围内的煤壁，向97307 工作面侧进行顺层垂向钻孔，钻孔间距为6 m，钻孔为横向单层，共197 个钻孔。

2.2.5 采空区埋管

将97215 巷D457PE 管通过正前横川引出至97214 巷，用于抽采沿空留巷段正前采空区内集聚的瓦斯。

3 瓦斯综合治理效果

对97307 工作面进行采空区漏风治理、瓦斯积聚抽采等瓦斯治理措施后，对工作面瓦斯量进行了持续跟踪，以评价瓦斯综合治理措施的有效性。监测数据显示，在工作面回采作业期间，回风瓦斯浓度最大为0.48%，风排瓦斯量为9.6 m3/min，顶板走向高位长钻孔、顶板高位普通钻孔、顶板倾向高位钻孔和顺层钻孔的抽放量分别为3.8、3.1、1.8和3.9 m3/min，共12.6 m3/min，各钻孔抽放气体瓦斯浓度不同，顶板走向高位长钻孔抽放瓦斯浓度高达28.2%，顶板倾向高位钻孔抽放瓦斯浓度为4.6%，其余钻孔排放瓦斯浓度为9.7%，瓦斯抽采率达到58.6%。

3.1 瓦斯抽采量分析

利用U 型通风系统抽采量和Y 型通风系统抽采量监测数据绘制瓦斯抽采量对比曲线图，如图6所示，可以看出2 种通风系统的瓦斯抽采量均随着工作面的推进距离增加而增大，除600 m 处因煤体的非均质特性差异导致抽采量变化外，对比可以看出，Y 型通风系统瓦斯抽采量明显大于U 型通风系统，表明97307 工作面采用的Y 型通风系统通过采空区漏风治理后，是较佳的瓦斯治理方式。

图6 瓦斯抽采量对比曲线图Fig.6 Comparison curve of gas drainage volume

3.2 风排瓦斯量分析

风排瓦斯量能够反映出回采巷道中瓦斯浓度情况，最大风排瓦斯量越低，表示回采巷道瓦斯含量越低，表明瓦斯治理措施效果越明显。图7 为97306 和97307 两个工作面采用不同瓦斯治理措施后最大风排瓦斯量对比曲线图，可以看出在工作面推进的各距离处，采用采空区漏风治理、瓦斯积聚抽采等瓦斯治理措施的97307 工作面最大风排瓦斯量均低于采用以上瓦斯治理措施的97306 工作面最大风排瓦斯量，在推进至1 000 m 时，最大风排瓦斯量降低18%左右，说明瓦斯治理效果明显。

图7 最大风排瓦斯量对比曲线图Fig.7 Comparison curve of maximum air exhaust gas volume

4 结论

针对山西华阳集团新能股份有限公司二矿高瓦斯97307 工作面，治理效果不佳，开采风险大的问题，进行瓦斯综合治理技术研究与应用，形成以下结论。

（1）97307 工作面采用的Y 型通风系统效果优于U 型通风系统，调整进风巷道配风量为950 m3/min 和1 100 m3/min，留巷两侧平均风压压差降低到15 Pa，对采空区挡矸墙进行密封，降低漏风量，挡矸墙前瓦斯浓度降低了0.37%。

（2）采用顶板走向高位长钻孔和倾向高位钻孔为主、顺层钻孔为辅的方式，对工作面煤层钻孔进行瓦斯预抽排，并在挡矸堵漏墙上埋设D457PE管通，用于抽采沿空留巷段正前采空区内集聚瓦斯。

（3）监测瓦斯抽采量和风排瓦斯量表明，采空区漏风治理、瓦斯积聚抽采等瓦斯治理措施的97307 工作面瓦斯浓度明显降低，综合计算工作面绝对瓦斯涌出量，抽采率为58.6%。