首采工作面瓦斯涌出規(guī)律及綜合治理技術(shù)研究

郭有為 劉 琳

（山東能源棗礦集團(tuán)云南斯派爾礦業(yè)有限責(zé)任公司，云南 曲靖 655000）

云南省富源縣恩洪煤田地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，分布煤層約30層，其中可采煤層約5～8層，均為薄煤層及中厚煤層。該煤田分布有約100對(duì)礦井，為當(dāng)?shù)靥峁┝舜罅烤蜆I(yè)崗位及勞務(wù)收入。但是這些礦井在工作面回采過(guò)程中，鄰近層卸壓瓦斯大量涌入回采空間[1]，造成上隅角瓦斯超限嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)[2]，同時(shí)也制約了礦井產(chǎn)能的提高。本文以斯派爾煤礦110701工作面瓦斯治理為工程背景，就工作面瓦斯涌出規(guī)律及綜合治理展開(kāi)研究，為恩洪煤田瓦斯治理提供實(shí)踐參考。

1 工作面概述

斯派爾煤礦110701工作面為首采工作面，主要開(kāi)采C7煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1200t/d。其頂板60m范圍內(nèi)分布4層（C3、C4、C5、C6）不可采薄煤層，底板40m范圍內(nèi)分布2層穩(wěn)定中厚煤層（C8、C9）和1層（C10）不可采薄煤層，煤層間巖層以中粒砂巖及泥巖復(fù)合層為主。

工作面埋深約290m～340m，走向長(zhǎng)800m，傾斜長(zhǎng)180m，傾角平均6～10°，采用U型上行式通風(fēng)。工作面頂?shù)装宸秶鷥?nèi)煤層特征情況見(jiàn)表1。

表1 采動(dòng)影響范圍內(nèi)煤層發(fā)育特征及瓦斯含量列表

2 工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)分析

依據(jù)分源預(yù)測(cè)法，工作面瓦斯涌出量主要來(lái)自本煤層及上下鄰近煤層，具體數(shù)值可以采用公式（1）、（2）、（3）[3]分別計(jì)算。

式中：

q采、q1、q2-回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量、開(kāi)采層相對(duì)瓦斯涌出量、鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；

k1、k2、k3-圍巖瓦斯涌出系數(shù)、丟煤瓦斯涌出系數(shù)、準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)開(kāi)采層瓦斯涌出影響系數(shù)；

m、M、mi-開(kāi)采煤層厚度、工作面采高、第i個(gè)鄰近層煤層厚度，m；

Wo、Wc-煤層原始瓦斯含量、煤層殘存瓦斯含量，m3/t；

i-第i個(gè)鄰近層瓦斯排放率，%；

Woi、Wci-第i個(gè)鄰近層煤層原始瓦斯含量、第i個(gè)鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3/t。

將C7煤層及上下鄰近煤層相關(guān)參數(shù)帶入上式，得到110701工作面回采過(guò)程中瓦斯涌出量預(yù)測(cè)數(shù)值，具體見(jiàn)表2。

表2 110701工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)數(shù)值

由表2分析可知：

（1）110701工作面按照設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，絕對(duì)瓦斯涌出量為15.16m3/min，其中本煤層涌出量為8.04m3/min，占53%，上下鄰近層涌出量為7.12m3/min，占47%，兩者占比較為接近。

（2）為了有效降低工作面風(fēng)流瓦斯?jié)舛?，保持適宜的工作環(huán)境，必須同時(shí)對(duì)本煤層瓦斯及鄰近層卸壓瓦斯采取抽采措施，才能有效提高瓦斯抽采率，降低稀釋瓦斯風(fēng)量。

3 工作面瓦斯綜合治理技術(shù)

3.1 調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，增大供風(fēng)量

調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，使工作面的供風(fēng)量由800m3/min增加到1100m3/min（此時(shí)工作面風(fēng)速約為3m/s）。風(fēng)量增大使得工作面的氣候條件更為舒適，同時(shí)稀釋的同濃度瓦斯量增加了約37.5%。

3.2 順層鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯

110701工作面傾向長(zhǎng)度為180m，考慮到工作面煤層傾角起伏變化，選擇在上下巷道中分別布置順層鉆孔，間距為6m，長(zhǎng)度為100m，搭接長(zhǎng)度為20m。封孔長(zhǎng)度為15m，孔口負(fù)壓不低于23kPa。鉆孔布置如圖1所示。

圖1 順層鉆孔布置圖

3.3 密閉上下隅角，遏制采空區(qū)漏風(fēng)

使用棉紡編織袋裝碎煤塊，在工作面上下隅角處堆疊構(gòu)筑密閉墻，可以大幅降低采空區(qū)漏風(fēng)，調(diào)控采空區(qū)風(fēng)流場(chǎng)，減少采空區(qū)瓦斯涌出。

3.4 上隅角埋管，抽采采空區(qū)瓦斯

沿工作面回風(fēng)巷的上幫敷設(shè)一條瓦斯抽采管。隨著工作面的推進(jìn)，瓦斯管道一端逐漸埋入采空區(qū)，瓦斯管路每隔25m設(shè)一三通，并安閥門(mén)，孔口負(fù)壓為5kPa。當(dāng)工作面推進(jìn)至下一個(gè)埋管口三通處，將埋在采空區(qū)里的前一埋管段控制閥門(mén)關(guān)閉，打開(kāi)下一循環(huán)的埋管口閥門(mén)，以此達(dá)到利用埋管不斷抽采采空區(qū)瓦斯的目的。具體布置如圖2所示。

圖2 上隅角埋管抽放布置圖

3.5 走向高位鉆孔抽采裂隙帶富集瓦斯

工作面回采過(guò)程中上下鄰近煤層受采動(dòng)影響解析出大量卸壓瓦斯，在工作面負(fù)壓及瓦斯飄浮作用下，大量卸壓瓦斯及采空區(qū)遺煤瓦斯匯集到頂板采動(dòng)裂隙中形成環(huán)繞采空區(qū)的瓦斯富集區(qū)[4]，其中以上端回風(fēng)巷側(cè)聚集效應(yīng)最為顯著。

為此工作面推進(jìn)前，在回風(fēng)巷施工高位抽放鉆場(chǎng)，預(yù)先向煤層頂板中施工大直徑高位走向長(zhǎng)鉆孔，抽采上端裂隙區(qū)富集瓦斯，可顯著降低工作面回采時(shí)的瓦斯涌出量。高位鉆孔具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

（1）鉆孔層位

高位鉆孔有效抽采高度位于裂隙帶底端。上端采空區(qū)冒落帶發(fā)育高度：H=(2～6)M[5～6]，110701工作面采高約為2.7m，因此高位走向長(zhǎng)鉆孔設(shè)計(jì)層位定位在煤層頂板以上5.4～16.2m處。

（2）鉆孔布置

110701 工作面走向長(zhǎng)度為800m，高位鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)個(gè)數(shù)為20個(gè)，鉆場(chǎng)間距約為40m，每個(gè)鉆場(chǎng)沿回風(fēng)巷布置，扇形布置方位角相差3～5°、孔徑為120mm、孔深約65～75m的鉆孔5個(gè)，鉆孔終口位于回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)水平投影5～45m處，終孔間距10m，孔口負(fù)壓為10kPa。

高位鉆孔布置如圖3、圖4所示。

圖3 高位鉆孔布置平面圖

圖4 高位鉆孔布置剖面圖

4 效果考察

110701 工作面回采過(guò)程中，對(duì)工作面采取了以上的綜合瓦斯治理措施，并對(duì)效果進(jìn)行了考察，結(jié)果如下：

（1）回采期間工作面供風(fēng)量為1145m3/min，工作面風(fēng)速為3.12m/s，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.45%，風(fēng)排瓦斯量為5.15m3/min。

（2）本煤層預(yù)抽瓦斯?jié)舛葹?4%，抽采瓦斯純量為5.83m3/min；高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛葹?8%，抽采瓦斯純量為2.84m3/min；上隅角埋管抽采瓦斯?jié)舛葹?.4%，抽采瓦斯純量為1.22m3/min。抽采措施共計(jì)抽采瓦斯純量為9.89m3/min。

（3）工作面絕對(duì)瓦斯涌出總量為15.04m3/min，抽采率為65.8%，上隅角瓦斯?jié)舛茸罡邽?.76%。工作面瓦斯治理取得顯著成效。

5 結(jié)論

（1）使用分源預(yù)測(cè)法，得到斯派爾煤礦110701工作面瓦斯涌出量為15.16m3/min，其中本煤層瓦斯涌出量占53.0%，上下鄰近層瓦斯涌出量占47.0%。

（2）通過(guò)對(duì)工作面瓦斯涌出規(guī)律分析，提出通過(guò)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)、加大供風(fēng)量，順層平行鉆孔預(yù)抽開(kāi)采煤層瓦斯，密閉上下隅角、降低采空區(qū)漏風(fēng)，上隅角埋管抽采采空區(qū)瓦斯，走向高位鉆孔抽采裂隙帶富集瓦斯等措施的綜合瓦斯治理技術(shù)。

（3）效果考察表明：工作面絕對(duì)瓦斯涌出總量為15.04m3/min，抽采率為65.8%，上隅角瓦斯?jié)舛茸罡邽?.76%。工作面瓦斯治理取得顯著成效。

（4）使用分源預(yù)測(cè)法，對(duì)工作面瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行研究分析，指導(dǎo)工作面瓦斯治理是科學(xué)可靠的。