8307工作面瓦斯綜合治理措施研究

寇永威

（大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

1 概述

大同煤礦集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司位于大同市南郊區(qū)西側(cè)15km，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為2.0Mt/a，為高瓦斯礦井。礦井主回采煤層為石炭系山4#煤層（山西組煤層）和2#煤層（太原組煤層），煤層平均厚度為3.5m。

8307工作面位于三盤區(qū)西翼，回采煤層為山4#煤層，工作面走向長度為1400m，傾向長度為210m。工作面無偽頂，直接頂主要以炭質(zhì)泥巖為主，平均厚度為4.7m，基本頂主要以細(xì)砂巖為主，回采期間受上覆巖層重力及回采壓力影響，直接頂深部裂隙發(fā)育且向基本頂延伸。8307工作面采用后退式走向長壁綜合機(jī)械化回采工藝，采用“U”型通風(fēng)方式，截至目前工作面已回采470m。

根據(jù)煤科院對山4#煤層瓦斯鑒定報告顯示，山4#煤層最大瓦斯含量為18.7m3/t，瓦斯壓力為0.7～1.35MPa，煤層瓦斯含量較高，對回采影響大。工作面回采前期通過對回采煤層布置抽放鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，但在實際應(yīng)用中瓦斯治理效果相對較差，回采期間工作面瓦斯涌出量為5.8m3/min，平均瓦斯?jié)舛葹?.2%，上隅角平均瓦斯?jié)舛葹?.4%，經(jīng)常出現(xiàn)工作面瓦斯超限斷電現(xiàn)象，不僅降低了工作面回采效率，而且嚴(yán)重威脅著工作面安全高效回采。

2 8307工作面瓦斯超限原因分析

（1）鉆孔成孔率低。8307工作面回采前期在工作面回風(fēng)順槽側(cè)布置順層瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，鉆孔深度為100m，鉆孔間距為10m，由于山4#煤層屬石炭系煤層，煤層發(fā)育不穩(wěn)定，在施工瓦斯抽放鉆孔時經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔塌孔現(xiàn)象，鉆孔成孔率為47%，平均鉆孔有效長度僅為84m，不利于煤層瓦斯預(yù)抽

（2）鉆孔瓦斯抽放率低。山4#煤層透氣系數(shù)為0.412～1.15m2/MPa2·d，衰減系數(shù)0.3174～0.6681d-1，采用順層鉆孔法進(jìn)行瓦斯抽放相對困難，瓦斯抽放效率僅為28%，抽放效率低。

（3）頂板裂隙帶瓦斯含量高。由于山4#煤層頂板裂隙帶發(fā)育，工作面回采期間頂板裂隙帶富含高濃度瓦斯，占整個工作面瓦斯涌出量的35%，隨著工作面不斷推進(jìn)、采空區(qū)垮落，頂板裂隙帶瓦斯涌入采空區(qū)，造成采空區(qū)瓦斯向工作面及上隅角涌出，導(dǎo)致瓦斯超限現(xiàn)象。

（4）工作面通風(fēng)不良。8307工作面采用“U”型通風(fēng)方式，造成工作面機(jī)頭端向采空區(qū)漏風(fēng)量大，漏風(fēng)率達(dá)27%，導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯向工作面及上隅角涌出；同時工作面采用“U”型通風(fēng)時靠近上隅角處出現(xiàn)“窩風(fēng)”現(xiàn)象，不利于上隅角瓦斯排放。

3 工作面綜合瓦斯治理措施研究

為了提高煤層瓦斯抽放效率，降低裂隙帶瓦斯?jié)舛燃安煽諈^(qū)漏風(fēng)量，通風(fēng)區(qū)通過研究，決定對工作面采取本煤層水力造穴瓦斯預(yù)抽、高位鉆孔裂隙帶瓦斯預(yù)抽以及安裝“Z”型風(fēng)障及柔性風(fēng)障堵風(fēng)、上隅角局部風(fēng)機(jī)排瓦斯等聯(lián)合瓦斯治理措施。

3.1 水力造穴瓦斯預(yù)抽

水力造穴瓦斯預(yù)抽主要是在煤層內(nèi)施工若干個擴(kuò)大孔，從而降低煤層地應(yīng)力，提高煤層透氣系數(shù)，達(dá)到提高瓦斯抽采效率的目的。

（1）采用GF-100型超高壓水力割縫裝置進(jìn)行造穴鉆孔施工，該裝置配套水力合金鉆頭、淺螺旋鉆桿、高壓管路等。

（2）首先將鉆孔設(shè)備穩(wěn)裝回風(fēng)順槽側(cè)距工作面50m處，鉆孔開口位置距工作面頂板1.5m處，鉆孔間距為30m，開口前40m采用直徑為75mm普通鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆孔垂直煤壁布置。

（3）當(dāng)鉆孔施工40m及時更換水力合金鉆頭并接頭高壓水管進(jìn)行水力造穴，造穴長度為1.5m，直徑為0.6m。

（4）第一個水力造穴完成后及時清理鉆孔內(nèi)浮煤，并繼續(xù)采用普通鉆頭鉆進(jìn)15m后進(jìn)行第二個水力造穴施工，依次類推每個鉆孔內(nèi)共施工5個水力造穴孔，如圖1所示。

（5）水力造穴鉆孔施工完后，每個鉆孔內(nèi)安裝瓦斯抽放管路并與采區(qū)臨時抽放泵站連接進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，當(dāng)工作面回采至距鉆孔5m處時鉆孔停止瓦斯抽放。

3.2 高位裂隙帶瓦斯預(yù)抽

（1）高位鉆場布置在回風(fēng)順槽側(cè)煤壁內(nèi)，鉆場規(guī)格為長×高×深=5.0×2.5×5.0m，鉆場距底板間距為1.0m，鉆場間距為60m。

（2）鉆場內(nèi)從煤壁外側(cè)向里依次布置4個高位瓦斯抽放鉆孔（1#、2#、3#、4#），鉆孔呈直線布置，距鉆場底板間距為1.5m，鉆孔間距為1.0m。

（3）鉆孔深度為100m，三個鉆孔與工作面頂板呈6°仰角布置，1#鉆孔與回風(fēng)順槽呈20°夾角布置，2#鉆孔與回風(fēng)順槽呈40°夾角布置，3#鉆孔與回風(fēng)順槽呈60°夾角布置，4#鉆孔與回風(fēng)順槽呈80°夾角布置。

（4）高位鉆孔施工完后對每個鉆場及鉆孔安裝主分支抽放管路進(jìn)行鉆場瓦斯預(yù)抽，每個鉆場瓦斯預(yù)抽時間不得低于10d。

3.3 “Z”型風(fēng)障及柔性風(fēng)障堵風(fēng)

（1）“Z”型風(fēng)障安裝?！癦”型風(fēng)障安裝在輸送機(jī)機(jī)頭端頭支架與運輸順槽內(nèi)，風(fēng)障長度為25m， 兩邊長為3m，高度為2.5m，風(fēng)障一邊固定在運輸順槽非煤壁幫上，另一邊固定在端頭支架支柱及頂梁上，從而阻止了運輸順槽側(cè)風(fēng)流沿端頭支架間隙處流入采空區(qū)內(nèi)，如圖1所示。

（2）柔性風(fēng)障安裝。由于8307工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，頂板相對破碎，工作面在移架時采用間隔性移架方式，為了防止間隔移架期間在支架間隙處漏入風(fēng)量進(jìn)入采空區(qū)，以及采空區(qū)內(nèi)有害氣體涌入工作面內(nèi)，決定在支架間隙處安裝柔性風(fēng)障，風(fēng)障長度為10m，可伸縮最大高度為3.5m，在間隔移架時及時安裝可伸縮風(fēng)障進(jìn)行堵風(fēng)。

3.4 局部通風(fēng)機(jī)排瓦斯

為了防止工作面上隅角處出現(xiàn)風(fēng)流渦旋，造成瓦斯集聚現(xiàn)象，決定安裝聯(lián)鎖感應(yīng)局部通風(fēng)設(shè)施對上隅角進(jìn)行排瓦斯。

（1）聯(lián)鎖感應(yīng)局部通風(fēng)設(shè)施主要包括一臺功率為5kW的小型局部通風(fēng)機(jī)、一臺80A聯(lián)鎖開關(guān)、長度為30m、直徑為0.4m柔性風(fēng)筒、瓦斯探頭以及PLC控制柜一臺。

（2）局部通風(fēng)機(jī)安裝在距上隅角30m處的液壓支架頂梁上，并將柔性風(fēng)筒接入上隅角處；將瓦斯探頭與PLC控制柜連接并調(diào)整保護(hù)動作值為0.8%，動作臨界值為0.3%；將PLC控制采用電纜與聯(lián)鎖開關(guān)連接。

（3）當(dāng)上隅角處瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.8%時瓦斯探頭及時將收集數(shù)據(jù)傳遞至PLC控制柜，并經(jīng)信號處理將“開啟”指令發(fā)送至聯(lián)鎖開關(guān)，聯(lián)鎖開關(guān)打開風(fēng)機(jī)電源進(jìn)行上隅角排瓦斯。

（4）當(dāng)上隅角處瓦斯?jié)舛冉档椭?.3%時瓦斯探頭再次將收集數(shù)據(jù)傳遞至PLC控制柜，并經(jīng)信號處理將“關(guān)閉”指令發(fā)送至聯(lián)鎖開關(guān)，聯(lián)鎖開關(guān)關(guān)閉風(fēng)機(jī)電源。

圖1 三盤區(qū)8307工作面綜合瓦斯治理措施施工平面圖

4 應(yīng)用效果分析

（1）與傳統(tǒng)煤層瓦斯抽采方法相比，水力造穴鉆孔瓦斯預(yù)抽可以解決煤層透氣系數(shù)低、瓦斯抽采難度大以及地應(yīng)力大抽放鉆孔成孔率低等技術(shù)難題，通過對8307工作面煤層采取水力造穴鉆孔瓦斯預(yù)抽后，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)煤層瓦斯抽采率達(dá)64%，在回采期間工作面瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下。

（2）采用高位鉆孔對頂板裂隙帶瓦斯預(yù)抽后，通過對采空區(qū)瓦斯檢測發(fā)現(xiàn)，有效降低了采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛龋?307工作面在回采期間未出現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)瓦斯異常涌出現(xiàn)象。

（3）通過對工作面機(jī)頭安裝“Z”型風(fēng)障以及移架期間安裝柔性風(fēng)障后，有效降低了采空區(qū)漏風(fēng)量，漏風(fēng)率降低至7.5%，阻止采空區(qū)內(nèi)煤的自燃以及采空區(qū)內(nèi)瓦斯向工作面上隅角涌出等現(xiàn)象。

（4）對工作面上隅角采取安裝聯(lián)鎖通風(fēng)設(shè)施進(jìn)行排瓦斯，有效解決了因“U”型通風(fēng)在上隅角處出現(xiàn)的窩風(fēng)現(xiàn)象及導(dǎo)致上隅角處瓦斯集聚的技術(shù)難題，8307工作面安裝聯(lián)鎖通風(fēng)設(shè)施后，上隅角平均瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.4%以下。

5 結(jié)語

通過對三盤區(qū)8307工作面回采期間瓦斯超限原因進(jìn)行研究分析，提出了“水力造穴瓦斯預(yù)抽+高位鉆孔裂隙帶瓦斯預(yù)抽+風(fēng)障堵風(fēng)+上隅角通風(fēng)排瓦斯”等聯(lián)合瓦斯治理措施，實踐證明，采取聯(lián)合瓦斯治理措施后，8307工作面在后期回采期間未出現(xiàn)工作面及上隅角瓦斯超限現(xiàn)象，保證了工作面安全高效回采，取得了顯著成效。