孤島工作面瓦斯治理技術(shù)的研究與應用

李 罡，陳 平，錢紅亮

(河南能源義煤公司，河南 洛陽 471100)

孤島工作面兩側(cè)均為采空區(qū)，巷道應力集中程度高，巷道內(nèi)漏風通道復雜，漏風量較大。保護煤柱在應力的作用下，巷道裂隙發(fā)育，臨近采空區(qū)內(nèi)瓦斯易通過裂隙進入工作面內(nèi)，造成工作面內(nèi)瓦斯超限，嚴重威脅工作面的安全生產(chǎn)[1-2]。

1 工作面概況

孟津煤礦為煤與瓦斯突出、水文地質(zhì)復雜礦井。12030工作面為礦井12采區(qū)第三個回采工作面，位于副井西北側(cè)，沿煤層傾向布置，北側(cè)為采區(qū)保護煤柱，南側(cè)均為工業(yè)廣場保護煤柱，工作面西鄰已回采完畢的12050工作面，東鄰12011工作面采空區(qū)。工作面軌道巷道為沿空留巷巷道，膠帶巷道為沿空掘巷巷道，沿煤層傾向布置，平均煤厚6.2 m，切眼凈長度125 m，可采長度550 m。

12030工作面二1煤偽頂不太發(fā)育，局部存在黑色炭質(zhì)泥巖，偽頂厚度在0～0.5 m之間；直接頂為砂質(zhì)泥巖，層理比較明顯；老頂為灰色-淺灰色中粒石英砂巖(大占砂巖)，厚13.8～15.2 m，頂板發(fā)育平整，相對比較穩(wěn)定。該工作面二1煤層直接底為碎軟的泥巖及砂質(zhì)泥巖，厚度約2.0～2.6 m，老底為砂質(zhì)泥巖夾細粒砂巖薄層，巖體結(jié)構(gòu)和巖性完整，穩(wěn)定性也較好。

12030工作面煤層屬不易自燃煤層，煤體堅固系數(shù)f值在0.12～0.46之間，瓦斯放散初速度ΔP在10.5～24.0之間，煤塵具有爆炸危險性，爆炸指數(shù)為11.7%。采用井下直接法對工作面原始瓦斯含量在最小為6.29 m3/t，最大為11.74 m3/t，瓦斯壓力最大為0.78 MPa。工作面布置方式如圖1所示。

圖1 12030工作面巷道布置

2 工作面瓦斯來源分析

12030工作面在回采期間，由于受巷道應力及采空區(qū)瓦斯涌出影響，工作面瓦斯居高不下，尤其上隅角內(nèi)瓦斯多次超過1%，嚴重制約了工作面的推進度。通過對瓦斯涌出來源進行分析，主要原因是以下幾點[3-4]：

1) 采空區(qū)瓦斯涌出。由于孤島工作面應力較大，工作面在回采期間，受采動影響，臨近工作面采空區(qū)通過保護煤柱或留巷巷旁支護砌塊裂隙進入到工作面內(nèi)，尤其是12050工作面采空區(qū)由于巷旁支護的砌塊墻在受壓變形后出現(xiàn)裂隙，涌出到工作面的進回風巷內(nèi)，造成工作面瓦斯?jié)舛壬?。且隨著工作面的回采，采空區(qū)面積越大，涌出的瓦斯越多。

2) 煤壁瓦斯涌出。工作面在回采過程中，裸露的煤層由于卸壓作用，工作面煤壁的瓦斯不斷進行釋放，尤其在工作面回采及放煤期間，破碎煤體將釋放大量瓦斯進入到工作面內(nèi)。

3) 配風影響。在工作面回采期間，為減少工作面瓦斯超限幾率，通過增加配風量對瓦斯進行稀釋，對降低瓦斯?jié)舛扔幸欢ǖ淖饔?。但配風量的增加，風壓增大，漏風量同時增大，造成采空區(qū)內(nèi)的瓦斯更容易進入到工作面進回風巷內(nèi)，瓦斯量進一步加大。

3 工作面瓦斯綜合治理措施

3.1 采空區(qū)瓦斯抽采

通過對瓦斯來源進行分析，在工作面上隅角采用插管抽放的方法對上隅角瓦斯進行治理，是避免上隅角瓦斯超限行之有效的抽放方法。具體施工工藝為：

1) 打設(shè)煤袋墻。工作面回采時，根據(jù)工作面推進度在工作面上隅角打設(shè)煤袋墻，煤袋墻按照與巷幫老塘側(cè)切頂線成45～60°夾角進行打設(shè)，煤袋按“品”字形豎著碼放，墻體厚度不低于0.5 m。煤袋墻采用編織袋裝煤進行打設(shè)，并在墻垛頂部預留出500 mm的三角區(qū)域，便于后期插管，要求煤袋墻打設(shè)接頂接底、靠幫嚴實，同時使用黃泥對煤袋墻進行抹縫，避免瓦斯漏出。

2) 在墻體預留三角區(qū)域插入兩趟D100 mm的抽采管路，插入墻體以里0.5～1 m，抽采管路距巷道頂板的距離為0.3 m，用于抽采采空區(qū)瓦斯。抽采管前段花管部分必須留在采空區(qū)內(nèi)進行抽放，嚴禁將花管部分壓在煤袋墻中或未插入煤袋墻內(nèi)。插管后，抽采管頂部采用塞入煤袋并以黃泥進行密封，確保不漏氣。插管抽采示意如圖2所示。

圖2 上隅角插管抽放巷道布置

3.2 高位鉆孔抽采

根據(jù)礦壓理論可知，工作面在回采推進時，在工作面周圍形成1個采動影響壓力場，壓力場及其影響范圍在垂直方向自上而下形成彎曲帶、斷裂帶和垮落帶。隨著工作面的推進，受采動影響，壓力場及其影響范圍不斷變化，形成大量裂隙，為采空區(qū)瓦斯的運移及存儲提供了場所，也為高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯提供了條件[5]。

在12030工作面軌道巷連續(xù)布置鉆場并施工高抽鉆孔以抽采采空區(qū)瓦斯，鉆場布置為沿里向外每60 m布置1個，每個鉆場設(shè)計布置高抽鉆孔6個，孔徑D113 mm，分為2排，排距0.5 m，同排鉆孔間距0.6 m，頂排鉆孔距鉆場頂板0.2 m?？筛鶕?jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整鉆孔布置及參數(shù)，但必須控制煤層頂板以上20～30 m。鉆孔布置見圖3。

圖3 12030工作面回采期間高抽鉆孔布置示意

3.3 順層鉆孔施工

強化該工作面瓦斯治理效果，在軌道側(cè)布置鉆場以施工順層瓦斯治理鉆孔，使用“邊采邊抽”的方法進一步對工作面前方煤體進行卸壓抽放?？紤]人為施工鉆場造成的應力問題，盡量減少鉆場的布置數(shù)量，結(jié)合可利用高抽鉆孔鉆場的實際情況，將順層鉆場間距設(shè)置為60 m，既在每個高抽鉆場內(nèi)施工順層抽放鉆孔，鉆孔采用扇形布置，具體鉆孔布置見圖4。

圖4 12030工作面軌道巷道卸壓鉆孔布置示意(m)

3.4 穿層鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯

為了防止初采初放頂板來壓時采空區(qū)瓦斯溢出造成瓦斯超限，工作面利用原底抽巷向采空區(qū)補充施工穿層鉆孔以輔助抽采，在12030工作面采空區(qū)范圍對應的軌道底抽巷巷頂向采空區(qū)補充施工不低于4個D113 mm穿層鉆孔，鉆孔布置示意見圖5。

圖5 輔助抽采采空區(qū)瓦斯穿層鉆孔布置示意

4 瓦斯治理效果分析

4.1 采空區(qū)插管

通過對上隅角插管主管路的瓦斯?jié)舛冗M行測量，12030工作面上隅角瓦斯抽采濃度在0.6%～2.8%之間，瓦斯純流量0.02～0.23 m3/min，混合流量為6.44～12.75 m3/min，12030工作面回采期間，上隅角最大瓦斯?jié)舛葹?.55%。說明采空區(qū)插管一定程度上減少了采空區(qū)瓦斯向上隅角內(nèi)涌出，減少了上隅角瓦斯超限。但由于插管作用范圍較小的局限性，因此不能從根源解決回風流瓦斯?jié)舛染痈卟幌碌膯栴}。

4.2 高位鉆孔

通過對高位鉆孔瓦斯?jié)舛冗M行測量，12030工作面高位鉆孔抽放管內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?%～35%，瓦斯純流量為0.24～1.75 m3/min。

4.3 穿層鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯

通過對穿層鉆孔瓦斯?jié)舛冗M行測量，12030工作面穿層鉆孔抽放管內(nèi)瓦斯?jié)舛仍?.35%～17.18%，瓦斯抽放量為0.02～0.79 m3/min。

6 結(jié) 語

通過對工作面采取有效的瓦斯治理措施，有效提高了工作面的瓦斯治理效果，減少了工作面瓦斯?jié)舛?。通過對12030工作面2020年6月到8月工作面及回風流中瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測統(tǒng)計，12030工作面回風流瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.6%，上隅角瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.55%，杜絕了工作面回風流及上隅角瓦斯超限的問題，充分說明了工作面的瓦斯治理措施是行之有效的，工作面最大日產(chǎn)量達到3 800 t，有效保證了工作面的高產(chǎn)高效發(fā)展。