煤层群开采工作面瓦斯综合治理技术研究

高 云

（山西潞安化工集团工程公司矿建分公司，山西 屯留 046100）

0 引言

煤层群开采时受到煤层赋存条件复杂、煤层层间距小、瓦斯含量高等多因素影响，采用单一的瓦斯治理方式满意满足煤炭安全回采需要[1-3]。煤层群开采工作面在回采时，邻近煤层在开采卸压影响下，采动裂隙发育，瓦斯涌出量显著增加，采面煤炭回采期间往往伴随有邻近瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量大等问题[4-6]。山西某矿开采煤层瓦斯含量高、煤层层间距小，采面煤炭回采期间存在有回风隅角、回风巷瓦斯超限，邻近煤层及采空区瓦斯涌出量大等问题，采面瓦斯浓度高显著制约煤炭开采。为此，文中以山西某矿30702（全文简称30702）综采工作面回采为工程背景，结合采面现场实际情况针对性提出采面瓦斯综合治理技术，实现了近距离煤层群条件下采煤工作面瓦斯的高效治理。

1 工程概况

山西某矿设计产能为180 万t/a，井田内可采煤层包括有2 号、7 号、9 号、11 号、12 号等煤层，其中经过鉴定2 号、9 号、11 号具有煤与瓦斯突出危险性，具体各煤层层间距及厚度情况见表1 所示。

表1 煤层及瓦斯参数

30702 综采工作面为南翼3 采区首采工作面，采面设计走向长度为1 280 m、倾向长度为125 m，采面开采范围内水位地质条件简单、地质构造不发育。结合邻近采区7 号煤层工作面回采期间瓦斯涌出情况以及本采面现场实际情况预计30702 综采工作面回采期间本煤层瓦斯涌出量、邻近层瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量分别可达到5.02 m3/min、14.98 m3/min、7.37 m3/min，采面回采期间邻近层及采空区瓦斯涌出量较大。采面现采用的瓦斯治理手段包括有本瓦斯抽采、高位钻孔、采空区内埋管等，采面回采期间回风隅角以及回风巷内瓦斯浓度偏高，存在有瓦斯超限风险，分析主要是由于邻近层瓦斯涌出量过大、高位钻孔层位布置不合理、钻孔封孔质量差以及未在邻近层布置瓦斯抽采钻孔等引起。文中就结合30702 综采工作面现场情况，针对性提出瓦斯综合治理技术措施，以便提高采面瓦斯治理能力。

2 采面瓦斯综合治理技术

2.1 本煤层顺层瓦斯钻孔

30702 综采工作面倾向长度为125 m，为避免出现瓦斯抽采空白带并避免长距离钻进时钻孔轨迹偏差过大等问题，在采面进风巷、回风巷均布置瓦斯抽出采钻孔，钻孔孔深均为70 m，钻孔搭接产长度为15 m；钻孔全程下筛管，避免塌孔导致抽采效果不佳问题，钻孔封孔深度均为15 m，采用两堵一注封孔方式，瓦斯抽采负压控制在13～15 kPa，具体钻孔布置见图1 所示。采面内本煤层瓦斯钻孔接抽时间均在5 个月以上。

图1 本煤层瓦斯抽采钻孔布置示意图

2.2 高位钻孔

在30702 回风巷布置高位瓦斯抽采钻场，并向顶板施工大直径瓦斯抽采钻孔，以便实现采空区顶板裂隙高浓度瓦斯抽采[7-9]。由于30702 综采工作面回采的7 号煤层上覆30 m 范围内存在有不多层不可采煤层，采面回采后顶板裂隙带发育高度下限约为15 m，为实现上覆裂隙瓦斯高效抽采，布置的高位钻孔从垮落带到裂隙带中上部，具体位于煤层顶板10 m、15 m及30 m 位置。

在回风巷按照50 m 间距布置一个钻场，在钻场内布置3 组钻孔，单组包括3 个瓦斯抽采钻孔，具体布置如图2 所示，组内钻孔间距为4 m，组间钻孔间距为10 m，水平方向上可控制距回风巷60 m 范围；组内钻孔终孔层位分别距离3 号煤层10 m、15 m 及30 m。高位钻孔孔径统一为120 mm，封孔深度均为12 m，抽采负压控制在8～11 MPa。

图2 高位钻孔布置示意图（单位：m）

2.3 回风隅角瓦斯抽采

采空区瓦斯在通风作用下容易从回风隅角位置涌出，为此在采面回风隅角位置间隔15 m 砌筑一道袋子墙，从而较少采空区漏风量。在采面回风隅角采空区内布置2 趟Φ280 mmPE 管，并在回风巷铺设的抽采管上间隔18 m 布置一个三通、阀组，便于接入抽采筛管以及控制抽采；当筛管头部埋入到采空区后方5 m 后开始开启抽采同时上一抽采管停抽；通过循环开启及关闭回风隅角位置埋管，以便实现采空区内5～30 m 范围内瓦斯抽采，减少回风隅角瓦斯涌出量。瓦斯抽采负压控制在5～8 MPa，具体布置见图3 所示。

图3 采空区埋管抽采示意图（单位：m）

2.4 邻近层瓦斯抽采

为减少30702 采煤工作面回采期间上覆2 号煤层及下覆9 号、11 号及12 号煤层卸压瓦斯涌出量，依据30702 采煤工作面布置位置，提前在2 号煤层下覆15 m 的砂岩层中、12 号煤层下覆20 m 的砂质泥岩层布置底板瓦斯抽采巷，并通过底抽巷内的穿层钻孔实现2 号、9 号、11 号及12 号煤层，穿层钻孔终孔间距控制在15～18 m，抽采负压控制在13～18 kPa，封孔长度均为15 m，封孔材料为微膨胀水泥。具体钻孔布置见图4 所示。通过底抽巷内穿层钻孔瓦斯抽采，可有效减少30702 采煤工作面回采期间邻近层卸压瓦斯向回采空间外溢量。

图4 邻近层瓦斯抽采布置示意图（单位：m）

3 瓦斯治理效果分析

在30702 采煤工作面回采期间，通过本煤层钻孔、高位裂隙钻孔、采空区埋管抽采以及邻近层底板瓦斯抽采等方式进行瓦斯治理，对上述各种瓦斯抽采钻孔瓦斯抽采情况进行时间监测，具体分别为3.6 m3/min、3.2 m3/min、4.6 m3/min、8.9 m3/min，瓦斯抽采量占采面瓦斯涌出总量的74.5%；同时通过30702 采煤工作面回采后，上覆2 号煤层、下覆9 号、11 号及12 号煤层瓦斯压力均降至0.74 MPa 以下，保护范围内基本消除的煤与瓦斯突出危险。

监测采面回采期间回风巷、回风隅角位置瓦斯浓度，发现在开采期间回风巷瓦斯体积分数始终在0.39%以内，回风隅角瓦斯体积分数始终在0.46%以内，采面其他位置瓦斯体积分数也均较小且在安全范围以内，表明现场采用的瓦斯治理方式取得较好应用效果，可有效解决采空区及邻近层瓦斯涌出量大问题。

4 结论

30702 采煤工作面回采的7 号煤层上覆有不可采煤层及可采的2 号煤层，下覆有不可采煤层及可采的9 号、11 号及12 号等煤层，在采面回采期间邻近层大量的卸压瓦斯沿着采动裂隙向回采空间涌出，导致采面瓦斯浓度整体偏高，存在较大的瓦斯超限风险。为给30702 采煤工作面安全回采创造良好条件，提出综合使用本煤层钻孔、高位瓦斯抽采钻孔、采空区埋管、邻近层底板穿层钻孔等方式对瓦斯涌出进行治理，并通过改进封孔方式、增大钻孔孔径、增加抽采负压等方式提高瓦斯抽采效果。

现场应用后，30702 采煤工作面回采期间瓦斯抽采量占采面瓦斯涌出总量的74.5%，同时在采面开采保护范围内邻近的2 号、9 号、11 号及12 号均消除了煤与瓦斯突出危险性；采面回风隅角、回风巷内瓦斯体积分数分别控制在0.39%、0.46%以内，瓦斯治理效果较好。