高瓦斯工作面“U”型通風系統(tǒng)瓦斯綜合治理

張啟祿

(汾西礦業(yè)集團公司，山西 介休 032000)

隨著礦井開采規(guī)模和深度的不斷加大，瓦斯涌出量也隨之增大，瓦斯災(zāi)害日趨嚴重。對于工作面總瓦斯涌出量在40 m3/min以下的工作面不符合“U+L”通風系統(tǒng)使用條件，從經(jīng)濟、安全上迫使“U”通風系統(tǒng)在高瓦斯礦井采煤工作面(總瓦斯涌出量在40 m3/min以下)的全面應(yīng)用，但應(yīng)用的基礎(chǔ)和保障是瓦斯綜合治理措施必須到位。

1 地質(zhì)概況

本工作面位于汾西礦業(yè)集團某礦井三采區(qū)前進方向的南翼，西側(cè)工作面尚未采掘，東側(cè)為采空區(qū)。工作面設(shè)計走向長度2 094 m，可采長度1 734 m，傾斜長度為201 m。

該工作面所采的(3#+4#)合并層，屬二疊系山西組下段頂部煤層，煤層平均厚度3.8 m;區(qū)內(nèi)煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含2層左右黑色泥巖夾矸層，夾矸層厚0.15 ～0.4 m，煤層傾角0 ～12°，平均6°。

工作面直接頂為灰黑色砂質(zhì)泥巖，厚度約15.53 m。其特征:灰黑色砂質(zhì)泥巖，含砂不均，夾粉砂巖長帶，水平層理，含植物化石;老頂以灰白色中粒砂巖為主，厚度為20 m。其特征為中厚層狀，含云母，裂隙發(fā)育，堅硬;直接底為灰黑色砂質(zhì)泥巖，斜交裂隙發(fā)育，未充填，半堅硬，含植物化石，厚度5.65 m;老底為淺灰色細粒砂巖，石英為主礦物，分選中等，鈣質(zhì)膠結(jié)，脈狀層理，巖石完整，厚度12 m。

2 采煤方法

工作面開采方法采用走向長壁式開采，為一次采全高綜合機械化，全部垮落法管理頂板。

3 工作面回采期間瓦斯來源

3.1 本煤層瓦斯涌出

該礦所采二疊系下統(tǒng)山西組下段頂部煤層(3+4)#合并層，煤體松，透氣性極好，不利瓦斯儲存。本煤層瓦斯涌出量約占工作面總涌出量的40%左右，是主要瓦斯涌出之一，根據(jù)治理瓦斯的分源治理原則，需進行瓦斯抽采工作。

3.2 圍巖瓦斯涌出

因該礦煤層頂?shù)装宥酁樯百|(zhì)泥巖，孔隙、裂隙相當發(fā)育，成煤時期儲存較多，在回采過程中，隨著老頂周期來壓，其中一部分瓦斯升至裂隙帶，一部分隨采空區(qū)漏風帶到工作面及專用抽采巷，直接影響工作面和上隅角瓦斯?jié)舛?，約占總涌出量的60%，為主要瓦斯涌出量。

3.3 鄰近層瓦斯涌出

下鄰近煤層離本開采層距離較大(約80余m)，對本開采層瓦斯涌出無影響;上鄰近2#煤層距本煤層6～15 m，開采后隨頂板垮落，應(yīng)力重新分配后主要涌向采空區(qū)，對工作面無太大影響，一并計入采空區(qū)瓦斯涌出量中。

4 綜合治理方案

4.1 通風方式

工作面采用“U”型通風系統(tǒng)。材料巷進風，運輸巷回風，另在回風巷一側(cè)布置一條專用瓦斯抽采巷，抽采巷內(nèi)對工作面進行裂隙帶、采空區(qū)瓦斯抽采并實現(xiàn)全風壓通風。

工作面配風量計算應(yīng)根據(jù)風排瓦斯量，同時考慮配風量與上隅角瓦斯涌出的相對關(guān)系，繪制曲線圖，確定平衡點，合理、適當進行配風，選取上隅角瓦斯?jié)舛茸畹蜁r的風量數(shù)據(jù)。

工作面通風系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 工作面通風系統(tǒng)示意圖

4.2 超前預(yù)抽采措施

4.2.1 掘進期間超前預(yù)抽

運巷掘進期間利用千米鉆機施工超前預(yù)抽鉆孔，預(yù)抽前方煤體中的瓦斯。在運巷口左幫施工第一個煤體鉆場，巷道掘到700 m、1 400 m處再施工第二個、第三個煤體鉆場。每個鉆場計劃施工3個超前預(yù)抽鉆孔，抽采煤體中瓦斯。

1)鉆場規(guī)格。鉆場在運巷前進方向的左幫，沿煤層頂板掘進。鉆場規(guī)格:深×寬×高=5 m×9 m×3 m，鉆場采用錨桿、錨索加金屬網(wǎng)綜合支護，采用擴散通風。

2)鉆孔設(shè)計。鉆場布置3個主鉆孔，孔間距1.1 m，鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1～3。在施工過程中可根據(jù)工作面實際情況對鉆孔參數(shù)進行調(diào)整。

表1 第一鉆場鉆孔參數(shù)表

表2 第二鉆場鉆孔參數(shù)表

表3 第三鉆場鉆孔參數(shù)表

4.2.2 本煤層鉆孔抽采

材料、運輸兩巷采用邊掘邊抽的方法進行瓦斯超前預(yù)抽采。在材巷前進方向右?guī)停\巷前進方向左幫分別施工鉆孔進行預(yù)抽采，鉆孔從巷道開口處依次往工作面(沿煤層傾向)布置。鉆孔隨著工作面的向前掘進逐步施工，且工作面迎頭與相近的鉆孔間距不得超過50 m。鉆孔間距為6 m，鉆孔開孔使用d89 mm的鉆頭，打8 m后換用73 mm鉆頭，孔徑75 mm;抽采瓦斯管路布置在材巷前進方向右?guī)?、運巷前進左幫，管路吊掛錨桿上，吊掛高度保持在1.2 m之間。工作面預(yù)抽鉆孔布置示意圖見圖2。

圖2 工作面預(yù)抽鉆孔布置示意圖

4.3 邊采邊抽綜合方案

工作面采用專用抽采巷頂板工作面裂隙帶鉆孔、采空區(qū)鉆孔抽采以及運巷上隅角埋管抽采的綜合邊采邊抽措施。

4.3.1 工作面裂隙帶鉆孔抽采設(shè)計

利用在專用抽采巷交錯施工高、低位頂板鉆孔對工作面裂隙帶瓦斯進行抽采。裂隙帶鉆孔布置在專用抽采巷前進方向的左幫，鉆孔從停采線依次往工作面布置，每隔6 mm布置一個鉆孔.鉆孔終孔高低位度控制在20～23 m左右，高位孔控制在29～32 m。鉆孔深入工作面煤壁20 m，孔高1.6 m，開孔使用d127 mmm鉆頭，打5 m后換用d89 mm鉆頭，孔徑91 mm。鉆孔從停采線往工作面依次編號，在專用抽采巷距切割巷60 m范圍內(nèi)施工密集高、低位頂板鉆孔，孔間距變?yōu)? m。提高工作面初采期間的抽采效果，保證安全生產(chǎn)，高、低位鉆孔在專用抽采巷施工完畢后，根據(jù)工作面實際煤層等高線圖進行鉆孔參數(shù)設(shè)計。

4.3.2 采空區(qū)抽采鉆孔設(shè)計

在專用抽采巷內(nèi)向工作面上隅角施工煤柱穿層鉆孔，抽放采空區(qū)瓦斯。每6 m布置一個鉆孔，鉆孔深度29.4 m。鉆孔孔徑115 mm。鉆孔總數(shù)290個。根據(jù)該礦提供的地質(zhì)說明書，鉆孔從停采線依次向工作面編號，在施工過程中可根據(jù)工作面實際情況對鉆孔參數(shù)進行調(diào)整。

4.3.3 運巷上隅角埋管抽采設(shè)計

工作面回采期間采用“U”型通風方式，即材料巷進風，運輸巷回風。為了解決運輸巷上隅角瓦斯積聚，采用鋪設(shè)一趟d300 mm鋼骨架復(fù)合管用于上隅角埋管抽放，管路沿巷道前進方向右側(cè)鋪設(shè)。從停采線以內(nèi)每12 m接一個三通(d300 mm變d200 mm)，方向垂直向上。

管路安裝要求:

1)抽采管路沿巷道右側(cè)頂部吊掛，距頂不得大于400 mm的距離，要求每根抽采管路采用吊環(huán)吊掛兩處。

2)抽采管路按設(shè)計吊掛，做到平、直、穩(wěn)、嚴密，統(tǒng)一高度。

3)管路跨過巷道或硐室時要設(shè)龍門，與主管路連接處要上閥門和過濾裝置。

4)從停采線以里每12 m安設(shè)一個三通，三通方向垂直向上，變頭處必須安裝過濾裝置，以防雜物進入管路。

5)井下管路應(yīng)避免與通訊、動力電纜敷設(shè)在一起，以防管路帶電。若需布置在一側(cè)時，必須間隔500 mm的安全距離。

6)連接管路時必須將管內(nèi)雜物清理干凈，膠墊要墊合適，法蘭盤螺絲要上齊全，全部緊固，保證不漏氣。

7)瓦斯管路鋪設(shè)地段嚴禁施工，如確需施工時，必須做好管路保護措施，并與該礦通風區(qū)聯(lián)系，待通風區(qū)采取措施后，方可施工。

8)抽采管路在吊掛完成后，由總工程師組織有關(guān)單位進行驗收，合格后，方可投入使用。

4.3.4 運巷采用鉆場長鉆孔抽采上隅角瓦斯措施(初采期間涌出量大)

1)鉆場位置及規(guī)格。

在運巷從切眼起，每隔50 m施工1個鉆場。共施工2個鉆場，鉆場在運巷前進方向的左幫，沿煤層頂板掘進。鉆場規(guī)格:深×寬×高=5 m×6 m×3 m，鉆場采用錨桿錨索加金屬網(wǎng)綜合支護，采用擴散通風。

2)鉆孔設(shè)計。

每個鉆場布置上下兩排各3個鉆孔，孔間距600 mm，開孔直徑115 mm，打5 m后換用89 mm鉆頭，孔徑91 mm。第一鉆場鉆孔垂直距離伸入工作面10 m，第二鉆場鉆孔垂直距離伸入前一鉆場20 m。1#～6#孔水平距離控制在工作面切割巷10～40 m的范圍內(nèi)，1#～3#鉆孔終孔高度控制在6～12 m內(nèi);4#～6#終孔高度控制在8～16 m內(nèi)。

工作面邊采邊抽鉆孔布置示意圖見圖3。

圖3 工作面邊采邊抽鉆孔布置示意圖

4.4 抽采方法及管路敷設(shè)

運輸巷、抽采巷均敷設(shè)兩趟直徑300 mm的瓦斯抽采專用管路，實現(xiàn)采空區(qū)與本煤層和裂隙帶鉆孔分源抽采，且分別與三采總回風巷抽采主管路對接。

預(yù)抽期間運巷、專用抽采巷管路與三采回風巷內(nèi)d800 mm的主瓦斯抽采管路聯(lián)接利用高濃度抽采系統(tǒng)進行掘進工作面的瓦斯預(yù)抽采工作?；夭善陂g運輸、材料專用抽采巷的本煤層鉆孔、裂隙帶鉆孔抽采管路與三采回風巷內(nèi)d800 mm的瓦斯抽采管路連接，利用高負壓抽采系統(tǒng)進行工作面的瓦斯抽采，專用抽采巷的采空區(qū)抽采孔和運輸巷的上隅角埋管的抽采管路與三采回風巷內(nèi)d700 mm的瓦斯抽采管路聯(lián)接，利用低負壓抽采系統(tǒng)進行采空區(qū)的瓦斯抽采工作。管路安裝完畢后，投入運行前必須進行氣密性試驗，并寫出書面報告，要求靜壓力大于30 kPa時，千米漏氣量不大于3 m3/min方為合格。

4.5 抽采鉆孔封孔設(shè)計

每施工完一個鉆孔后，立即進行封孔，封孔方法采用聚氨脂封孔法，封孔長度巖孔5 m，煤孔8 m，封孔前應(yīng)將孔內(nèi)積水、巖屑清理干凈，以保證封孔質(zhì)量，封孔工藝如下:

1)封孔采用專用的PE封孔管。

2)封孔材料:專用的封孔管、封孔器、4分注液管、4分排氣管、毛巾布、聚胺脂。

3)封孔工藝:必須使用封孔泵動力封孔。

在封孔管兩端纏繞毛巾布寬度不小于0.5 m，末端的毛巾布距封孔管末端0.8～1 m，外端毛巾布外側(cè)距封孔管口處0.4 m，封孔管外露0.2 m，封孔管兩端的毛巾布澆注藥液后要用12#鐵絲綁牢。

4)封孔管外端毛巾布中裹入2根長為1.5 m和1 m的4分注液管、排氣管，4分管外露100 mm。

5)壓注藥液量:

聚胺脂液中甲、乙液的配比為1∶1.1。

6)鉆孔封孔所有工藝全部完成后，至少凝固1 h方可安裝擋板，在凝固4 h后方可進行打壓試驗。

7)封孔泵封孔操作順序:

a)在第一根封孔管上距末端0.4 m上一個接頭，然后在接頭處纏裹毛巾布，(使用12#鐵絲固定在封孔管上)再澆好液后送入孔內(nèi)。

b)逐根快速將封孔管連接好。

c)及時將封孔管送入鉆孔。

d)在最外一根封孔管上距封孔管口0.4 m處再上一個接頭，然后在接頭往里纏裹毛巾布(使用12#鐵絲固定在封孔管上)，同時毛巾布內(nèi)應(yīng)固定上注液管、排氣管;排氣管安設(shè)在孔頂，注液管安設(shè)在孔底，各外露100 mm。

e)將封孔管送入鉆孔，封孔管外露0.2 m。

f)以上工序完成后，等待5、6 min，聚氨酯膨脹后，再向注液管內(nèi)壓注藥液。

g)在鉆孔使用聚氨酯完成封孔后，將孔口預(yù)留0.2 m長的距離，采用人工填充水泥砂漿的方法進行孔口段的封孔工作。

8)液體打完后，要及時關(guān)閉壓風，擰開注液管上的絲扣，然后打開壓風將封孔器與膠管內(nèi)液體吹干凈，防止聚氨酯堵塞封孔器。

9)鉆孔封好后，上擋板時不得將擋板緊固，待封孔液完全凝固后，方可緊固擋板。

10)每施工完一個鉆孔立即封孔，并接入抽采系統(tǒng)。