淺談高瓦斯礦井綜采工作面初次來壓的瓦斯治理

沈雪梅

（潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長治 046204）

上莊煤業(yè)有限公司是以山西潞安環(huán)能股份有限責(zé)任公司將原上莊煤礦整合重組而成的股份制企業(yè)。礦井生產(chǎn)能力為30萬噸/a。礦井開拓方式為斜井、立井混合開拓，通風(fēng)方式為中央并列式，礦井為高瓦斯礦井，礦井瓦斯絕對涌出量為22.28m3/min，相對涌出量為44.19m3/t,是一座典型的高瓦斯礦井。

1.工作面布置及通風(fēng)情況

3103回采工作面位于上莊煤礦31采區(qū)西部，所采煤層為3#-3煤層，工作面采用傾斜長壁布置，U型通風(fēng)方式，工作面長157m，傾斜長度530m，煤層平均厚度2.2m，風(fēng)運兩巷均為工鋼梯形支護，巷道斷面為8.5m2。

2.煤層瓦斯含量及回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測

兩巷及切眼掘進施工期間瓦斯涌出量為2.5-5m3/min，經(jīng)實測，煤層原始瓦斯含量為12.6m3/t，該面瓦斯儲量為322.92萬m3，瓦斯壓力為0.62MPa。

根據(jù)3101工作面初采期間老頂初次垮落瓦斯涌出量瞬間增大（瓦斯絕對涌出量達到90m3/min）經(jīng)驗，3103工作面如果不進行任何的治理，預(yù)計工作面頂板初次垮落瓦斯瞬間涌出量可達到100m3/min以上，屆時工作面以及礦井整個回風(fēng)系統(tǒng)將會出現(xiàn)大面積瓦斯高濃度超限。

3.煤層賦存情況

礦井所開采煤層為3#煤層，根據(jù)礦井地質(zhì)報告可知：3號煤層位于山西組下部，井田內(nèi)3號煤層有分岔現(xiàn)象，分為三個分層3上、3中和3下。中部夾有4～15m的夾石層，其中3下煤層厚1.16～3.40m，平均1.94m，為穩(wěn)定可采煤層，3上、3中煤層不穩(wěn)定，不可采。煤層結(jié)構(gòu)簡單，層位穩(wěn)定，常含夾矸1～2層，由砂質(zhì)泥巖組成，夾矸厚0～0.65m。

4.煤層頂?shù)装迩闆r，初次來壓及周期來壓步距

依據(jù)地質(zhì)報告該工作面直接頂板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部相變?yōu)榧?xì)砂巖，底板為細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖。礦井之前所回采3101工作面與該工作面地質(zhì)條件和煤層頂?shù)装迩闆r基本相同，3101工作面3上、3中煤層距本煤層為7～11m，3101工作面初采期間未采取任何處理手段，工作面回采至風(fēng)巷17m和運巷13m時，工作面頂板大面積垮落，之后回采過程中頂板無明顯周期來壓，均為隨采隨下。根據(jù)3101工作面初采期間頂板垮落情況，結(jié)合3103工作面3上、3中兩層煤賦存條件（距

一、工作面概況

離本煤層分別為25m和17m），預(yù)計3103工作面在不進行任何處理的情況下頂板初次垮落步距在工作面回采30-35m左右。

5.工作面瓦斯抽采現(xiàn)狀

根據(jù)對工作面實測，3上、3中兩層煤總厚度約為0.8-1.5m。預(yù)計3103工作面上鄰近層（3上、3中煤層）和頂、底板巖石內(nèi)瓦斯儲量約為698.96萬m3；根據(jù)3101工作面回采時瓦斯涌出量分析，該工作面上鄰近層瓦斯含量為15m3/t，初次來壓段瓦斯總量為123647m3，根據(jù)3101工作面當(dāng)時初次來壓時瓦斯涌出量經(jīng)驗，預(yù)計該工作面回采前不進行任何治理手段初次來壓時瓦斯涌出量最大可達到100m3/min以上（瓦斯來源的80%為上鄰近層，其余20%為本煤層瓦斯涌出），屆時工作面以及采區(qū)和礦井回風(fēng)系統(tǒng)將可能發(fā)生大面積瓦斯超限事故。

3103工作面初采期間配風(fēng)量為2000m3/min，最大風(fēng)排瓦斯量可達到16m3/min，在工作面頂板初次來壓前瓦斯抽采主要是工作面本煤層預(yù)抽采量。

工作面現(xiàn)布置有三趟Φ275mm聚氯乙烯抽放管路，其中運輸順槽一趟（本煤層瓦斯預(yù)抽采管路），回風(fēng)順槽兩趟（一趟為本煤層瓦斯預(yù)抽采管路，另一趟為鄰近層瓦斯抽采管路）。運輸順槽布置瓦斯預(yù)抽采鉆場5個，每個鉆場呈扇形布置煤體預(yù)抽采鉆孔21個，孔徑為Φ89mm，孔深60m，回風(fēng)順槽共布置抽采鉆場9個（鉆場作為本煤層預(yù)抽采和鄰近層高位抽采共同使用），每個鉆場內(nèi)呈扇形布置本煤層預(yù)抽采鉆孔15個，孔徑Φ89mm，孔深80m。兩巷本煤層瓦斯預(yù)抽采鉆孔共計240個，已于2012年5月全部施工完成，并聯(lián)網(wǎng)抽放；回風(fēng)順槽9個抽放鉆場也作為裂隙帶高位抽采鉆場使用，每個鉆場布置抽采鉆孔8個，共計72個，目前已施工完成19個（其中9#和8#鉆場8個，7#鉆場已施工完成3個），孔徑為Φ113mm，鉆孔終孔位置均在切眼頂部3#-1煤層，8個鉆孔呈扇形布置，布置在端尾至工作面20m范圍。

工作面回采前煤體預(yù)抽采鉆孔已對工作面進行了4個月的預(yù)抽采，抽采總量達到120萬m3，其中單孔抽采量為0.015m3/min，單孔平均抽采濃度可達到30%左右，單孔抽采總量可達到5000m3。

二、安全保障措施

為防止工作面初次來壓期間瓦斯超限，引發(fā)瓦斯事故，采取了如下安全措施：

1.通風(fēng)安全措施

（1） 該工作面正?；夭善陂g瓦斯涌出量預(yù)計為25m3/min（其中風(fēng)排量為10m3/min，抽采量為15m3/min），采取綜合措施后初次來壓時瓦斯涌出量為40m3/min（其中風(fēng)排量預(yù)計可達到15m3/min，抽采量可達到25m3/min），因此該工作面在初采期間為防止工作面初次來壓造成瓦斯超限，配風(fēng)量增大至2000m3/min，工作面正?；夭善陂g配風(fēng)量為1700m3/min。按照相關(guān)管理規(guī)定回風(fēng)流瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.8%以下，工作面配風(fēng)量增大至2000m3/min時，工作面風(fēng)排瓦斯量可達到15左右。（2）工作面正?；夭善陂g要在工作面機頭和機尾各打一道風(fēng)障，以控制采空區(qū)通風(fēng)，每天利用檢修時間對工作面（切眼）進行風(fēng)量測定，確保工作面（切眼）配風(fēng)量不少于1200m3/min，并且保證工作面裂隙帶鉆孔高濃度抽采。

（3）在工作面端尾打設(shè)風(fēng)障時要在上隅角位置留出通風(fēng)口，以便于稀釋上隅角積聚的瓦斯。

2.瓦斯抽采措施

（1）在工作面回風(fēng)順槽煤墻側(cè)補充施工鄰近層的高位抽采鉆孔，鉆孔在煤墻側(cè)布置。

（2）確保礦井抽采系統(tǒng)各環(huán)節(jié)正常運行，在頂板初次來壓前要對整個抽采系統(tǒng)進行一次全面的檢查和維護。

（3）加強抽采系統(tǒng)的日常維護，確保抽采管路暢通和抽放泵運行平穩(wěn)正常。

（4）加強抽采數(shù)據(jù)的觀測，掌握抽采系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)，尤其是鉆孔內(nèi)各項參數(shù)的測定，為工作面瓦斯涌出收集好第一手資料，以便及時采取有效的手段進行瓦斯治理。（5）根據(jù)工作面的瓦斯涌出情況對抽放管路進行調(diào)整，確保在瓦斯涌出量較大的時候能夠及時調(diào)整抽放負(fù)壓和裂隙帶高位抽放量，為工作面瓦斯治理提供可靠的保障。

（6）必要時將三臺抽放泵同時開啟，其中兩臺抽放泵對裂隙帶進行高位抽采，屆時高位抽采混合總量可達到110m3/min，預(yù)計抽采濃度在30%左右，鄰近層裂隙帶高位抽采純量可達到30m3/min，結(jié)合風(fēng)排量16m3/min，初次來壓期間瓦斯風(fēng)排量和抽采量可達到45m3/min以上，可有效控制工作面瓦斯超限。

（7）工作面提前進行煤體瓦斯預(yù)抽采，工作面回采前工作面最深處（切眼位置）瓦斯原始含量為12.6m3/t（為該工作面瓦斯含量最大值），經(jīng)過對工作面進行半年煤體瓦斯預(yù)抽采后對工作面重新進行了含量測定，工作面最深處瓦斯含量降至6m3/t左右，滿足了低于8m3/t回采的要求，實現(xiàn)了瓦斯的抽采達標(biāo)。

3.頂板梯次垮落控制措施

（1）根據(jù)3101工作面初次來壓經(jīng)驗，3103工作面回采期間為避免頂板初次來壓大范圍垮落，該工作面在推進過程中采用回風(fēng)順槽超前運輸順槽推進的方法進行推進。在工作面回采的前30米范圍內(nèi)，工作面回風(fēng)順槽必須超前運輸順槽10m推進。

（2）根據(jù)該工作面頂板情況我公司委托中國礦大制定了《上莊煤礦3103工作面強制放頂技術(shù)方案》，在工作面回采期間嚴(yán)格按照該方案和措施實施工作面的強制放頂工作，避免工作面頂板一次性大范圍垮落，造成瓦斯涌出量急劇增加。

為保證3103工作面生產(chǎn)期間的瓦斯治理效果，每隔兩組支架打一個鉆孔，鉆孔間距為3米，沿157m長的工作面共布置50個炮孔，每5個炮孔為一組。

工作面在推進的前30米范圍內(nèi)，工作面每推進10米要進行一次進行放頂作業(yè)，如果其中一次爆破作業(yè)后達到預(yù)期的效果，可不再進行放頂作業(yè)。

深孔爆破孔的孔徑定為42mm，封泥長度不小于炮孔長度的20%-30%，徑向裝藥不耦合系數(shù)為1.25。具體深孔爆破炮孔參數(shù)和布置如附表。

三、治理效果

經(jīng)過對該工作面采取一系列的瓦斯治理手段，瓦斯治理得到了全面的控制。2010年9月2日凌晨工作面風(fēng)巷推進15米后頂板發(fā)生初次來壓垮落，垮落范圍在支架后方在風(fēng)巷至切眼8米處，頂板垮落瞬間瓦斯增大，上隅角瓦斯最高值達到1.21%，持續(xù)時間為48秒，工作面瓦斯絕對涌出量達到42m3/min（風(fēng)排量為15m3/min，抽采量為27m3/min），之后隨著工作面的逐步推進，切眼也按照預(yù)期效果開始了風(fēng)巷至運巷的梯次垮落，在工作面風(fēng)巷推進45米，運巷推進至38米時頂板全部垮落完成，在頂板垮落過程中未出現(xiàn)瓦斯超限事故，至此該工作面初次來壓的瓦斯治理得到了有效控制。

工作面在回采工程中受采煤速度影響，瓦斯涌出不斷增大，正常回采期間瓦斯絕對涌出量在30m3/min左右，回采后的工作面無法長期進行強制放頂作業(yè)，因此瓦斯抽采成為了治理的主要手段，抽采效果直接影響到工作面的回采速度。

抽采效果的好壞取決于裂隙帶高位抽采鉆孔抽采量，裂隙帶高位鉆孔抽采量越大工作面瓦斯就能得到很好的控制。根據(jù)工作面回采期間對裂隙帶高位鉆孔進行參數(shù)測定可以看出，鉆孔終孔位置在距離工作面回風(fēng)順槽10-20m范圍，距離回采煤層頂板10-15m的抽采效果最佳，正常回采期間由里及外依次會有三個鉆孔可達到100%的抽采濃度，單孔抽采純量可達到5m3/min，其余鉆孔可達到1m3/min左右的抽采量。隨著鉆場的逐步報廢和銜接，工作面利用裂隙帶高位鉆孔抽采始終可保持正常的抽采量，可解決采空區(qū)20m3/min左右的瓦斯量，風(fēng)排瓦斯量在勻速回采正常期間為12m3/min左右，使用裂隙帶高位抽采鉆孔可以解決該工作面正?；夭善陂g60%以上的瓦斯絕對涌出量，完全可滿足工作面的正?；夭尚枰?。

根據(jù)此次對3103工作面采取的各項瓦斯治理手段，可以看出瓦斯治理是完全能夠得到控制的，強制放頂和風(fēng)巷超前推進有效控制了工作面頂板的垮落步距，加大配風(fēng)量增大了工作面的風(fēng)排瓦斯量，煤體預(yù)抽采則從根本上解決了工作面瓦斯高的問題。這些手段的使用對礦井瓦斯治理積累了較好的經(jīng)驗。

四、存在問題

在積累經(jīng)驗的同時也客觀地存在一些問題：第一，深孔爆破過程中有害氣體瞬間增大（該工作面爆破瞬間CO濃度增大至臨界值22.8PPm）會給安全帶來另一個隱患；第二，爆破整個過程的安全管理都是此次初采期間瓦斯治理的重中之重，如何做好大藥量深孔爆破的安全管理尤為重要；第三，如何設(shè)計和準(zhǔn)確施工裂隙帶高位抽采鉆孔（掌握最佳終孔位置），鉆孔設(shè)計和施工能否滿足抽采最佳效果的需要，這是瓦斯治理的一個特別重要的環(huán)節(jié)；第四，本煤層預(yù)抽采鉆孔的抽采時間和抽采方法（鉆孔布置）對本煤層瓦斯治理起到關(guān)鍵作用，本工作面由于抽采時間較短，本煤層瓦斯抽采量較小，加之鉆孔采用扇形布置留下的抽采盲區(qū)，都嚴(yán)重影響到了抽采效果，并且工作面深部與前部采用相同密度布置鉆孔，無法做到深部（較高瓦斯區(qū)）能抽盡抽的目的。針對以上這些存在的問題，需要在今后的施工中進一步完善相關(guān)安全管理措施以及不斷總結(jié)經(jīng)驗優(yōu)化鉆孔設(shè)計，以提高瓦斯抽采率，確保瓦斯治理效果。

切眼炮孔參數(shù)