裕興煤業(yè)15203工作面瓦斯綜合治理技術(shù)研究及應(yīng)用

郭國祥

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)裕興煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 工程概況

裕興煤業(yè)15203工作面位于15#煤層二采區(qū)北翼，工作面所采煤層為15#煤層，煤層厚度為3.91～4.89m，均厚4.41m，屬全區(qū)穩(wěn)定賦存可采煤層，工作面采用長壁綜采采煤工藝進(jìn)行回采作業(yè)?；夭晒ぷ髅骈L度為240m，平均采高4.41m，回采率為97%，工作面采用U型通風(fēng)方式。

針對(duì)15203工作面采用分源預(yù)測法對(duì)工作面回采期間最大瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果回采工作面瓦斯相對(duì)瓦斯涌出量為7.50m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為10.44m3/min，遠(yuǎn)大于相關(guān)規(guī)定要求的3m3/min的瓦斯涌出量要求，基于此可知在15203工作面回采前及回采期間，需進(jìn)行有效的瓦斯抽放作業(yè)，降低煤層瓦斯含量，減小煤層瓦斯涌出，保障工作面安全回采。

2 瓦斯綜合治理技術(shù)

2.1 瓦斯治理技術(shù)的選擇

根據(jù)裕興煤業(yè)15203工作面的具體情況，在15203工作面回采前，通過布置順層鉆孔的方式對(duì)工作面煤層內(nèi)的瓦斯進(jìn)行有效的預(yù)抽作業(yè)，根據(jù)相關(guān)工作面瓦斯含量核算，在此階段需要將煤層瓦斯含量降至4.3m3/t，回采期間瓦斯涌出量才有可能降至3m3/min[1-2]；當(dāng)工作面進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)，再結(jié)合頂板高位穿層鉆孔瓦斯抽采及上隅角埋管抽采的方式對(duì)工作面瓦斯的問題進(jìn)行治理。

2.2 工作面回采前瓦斯預(yù)抽

在15203回采工作面回采前，采用VLD-1000型千米定向鉆機(jī)施工，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽中分別施工順層鉆孔，順層預(yù)抽鉆孔在直垂方向上控制煤層全厚，在水平方向上控制預(yù)抽區(qū)段回采區(qū)域（必須覆蓋預(yù)抽區(qū)段回采工作面所有順槽，且至少超過最外側(cè)順槽15m），基于此設(shè)計(jì)順層鉆孔直徑φ80mm，鉆孔長度為140m，設(shè)置順層鉆孔在距離巷道底板1.5m的位置處打設(shè)，順層鉆孔的水平間距為5.0m，鉆孔的封孔段長度不得小于8m。

在順層鉆孔預(yù)抽階段需確保足夠的瓦斯排放時(shí)間，需保障順層鉆孔瓦斯預(yù)抽作業(yè)結(jié)束后，工作面煤層的瓦斯含量降低至4.3m3/t，具體15203工作面順層鉆孔的布置形式如圖1所示。

2.3 工作面回采期間瓦斯抽采

2.3.1 頂板高位瓦斯抽采鉆孔

根據(jù)相關(guān)巖石鉆場的抽采瓦斯的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)有鉆機(jī)的抽放能力[3-4]，在15203工作面回采期間采用高位穿層鉆孔瓦斯抽采，具體頂板走向瓦斯抽采鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)如下：

1）鉆場位置。根據(jù)15203工作面的具體情況，從運(yùn)輸順槽每隔50m施工斜巷進(jìn)入煤層頂板，斜巷上山的高度為2m，寬度為3m，上山的坡度約為30°，當(dāng)斜巷進(jìn)入到煤層頂板2m時(shí)，此時(shí)沿著煤層頂板掘進(jìn)處6m的平巷作為頂板走向瓦斯抽采鉆孔的鉆場，鉆場的高度為3m，寬度為5m，深度為6m，具體頂板高位瓦斯抽采鉆場布置方式如圖2所示。

2）鉆孔布置方式。在15203工作面頂板走向瓦斯抽采鉆場內(nèi)，每個(gè)鉆場內(nèi)部布置4個(gè)抽采鉆孔，鉆孔呈現(xiàn)扇形布置，具體鉆孔的布置的各項(xiàng)參數(shù)見表1，鉆孔的布置方式如圖2所示。

表1 鉆孔布置各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)表

圖2 15203工作面頂板高位鉆孔布置方式示意圖

3）封孔工藝。頂板高位瓦斯抽采鉆孔在進(jìn)行封孔作業(yè)時(shí)，封孔工藝采用"兩堵一注"帶壓注漿對(duì)鉆孔進(jìn)行有效封孔作業(yè)，兩堵即為在孔口1m的長度和16m的長度分別采用聚氨酯和囊袋進(jìn)行有效封堵，一注即為采用微膨脹水泥，設(shè)置水灰比為1：0.7，設(shè)置注漿壓力為2MPa，將膨脹水泥注入封孔段內(nèi)，兩堵一注的封孔長度為12m。

2.3.2 上隅角埋管瓦斯抽采

由于15203工作面采用U型通風(fēng)，在風(fēng)壓作用下進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)的粉塵和瓦斯等氣體會(huì)進(jìn)入到工作面回風(fēng)巷內(nèi)，其中部分風(fēng)流會(huì)漏入到工作面采空區(qū)內(nèi)，形成漏風(fēng)流。進(jìn)入采空區(qū)的風(fēng)流由于上隅角及回風(fēng)巷負(fù)壓作用，又將通過上隅角外溢出來，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯及其他有害氣體會(huì)流向回風(fēng)巷，進(jìn)而導(dǎo)致上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍黾印?/p>

在15203工作面回采期間未充分保證上隅角瓦斯不會(huì)出現(xiàn)超限現(xiàn)象，采用采空區(qū)埋管進(jìn)行瓦斯抽放的方式，對(duì)工作面上隅角瓦斯進(jìn)行有效的治理作業(yè)，沿采煤工作面的回風(fēng)巷上幫鋪設(shè)一條直徑為250mm的瓦斯管路（干管），在管路上每隔30m安設(shè)一個(gè)三通，并安設(shè)閥門，閥門上部安設(shè)立管，立管的高度為1.5m。在開切眼側(cè)的第一個(gè)三通（1#三通）處將直徑為108mm橡膠埋吸管與主瓦斯抽采管連接，橡膠埋吸管長30m，末端鏈接瓦斯抽采器。

另外為提高上隅角抽采效果，對(duì)上隅角進(jìn)行封堵密閉，封堵材料為編織袋裝矸石或膠囊充氣封堵，具體15203工作面上隅角埋管抽采的布置方式如圖3所示。

圖3 15203工作面上隅角埋管瓦斯抽采示意圖

3 工作面瓦斯治理效果分析

3.1 順層鉆孔瓦斯預(yù)抽效果分析

為對(duì)15203工作面順層鉆孔瓦斯預(yù)抽效果進(jìn)行有效分析，在工作面進(jìn)行瓦斯預(yù)抽作業(yè)時(shí)，通過對(duì)預(yù)抽瓦斯的抽采濃度及抽采純流量進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果能夠得出15203工作面運(yùn)輸順槽與回風(fēng)順槽順層鉆孔瓦斯抽采濃度及純流量與抽采時(shí)間的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 工作面順層鉆孔瓦斯抽采濃度、純流量-時(shí)間曲線圖

通過具體分析圖4可知，在15203工作面順層鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽作業(yè)期間，回風(fēng)順槽內(nèi)順層鉆孔預(yù)抽瓦斯的濃度在5.6%～44.4%之間，運(yùn)輸順槽內(nèi)順層鉆孔預(yù)抽瓦斯?jié)舛仍?.0%～17.1%，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)順層鉆孔的瓦斯抽采純流量的范圍分別為 0.075～5.89m3/min 和 0.005～7.96m3/min，基于上述數(shù)據(jù)可知，順層鉆孔進(jìn)行預(yù)抽作業(yè)時(shí)抽采的純流量及瓦斯?jié)舛染^小，但是由于順層鉆孔在回采作業(yè)前進(jìn)行預(yù)抽作業(yè)，預(yù)抽時(shí)間至少為180d以上，仍能對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行有效治理，通過對(duì)15203工作面回采前煤層的殘余瓦斯含量進(jìn)行測定得出，工作面采用順層鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽作業(yè)后，工作面煤層瓦斯的含量由原來的7.50m3/t降低至3.5m3/t，達(dá)到了順層鉆孔抽采預(yù)期的目的。

圖5 15203工作面回采期間瓦斯?jié)舛?抽采時(shí)間曲線圖

3.2 回采期間瓦斯抽采效果分析

為對(duì)15203工作面回采期間頂板高位鉆孔瓦斯抽采及上隅角埋管瓦斯抽采效果進(jìn)行有效分析，在工作面回采期間通過對(duì)工作面上隅角與回風(fēng)側(cè)的最大瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果能夠得出工作面上隅角、回風(fēng)側(cè)與抽采時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示。

通過具體分析圖5可知，15203工作面回采期間上隅角瓦斯?jié)舛然究刂圃?.35%～0.47%的范圍內(nèi)，回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛然究刂圃?.16%～0.34%的范圍內(nèi)，基于上述數(shù)據(jù)可知在工作面回采期間瓦斯的濃度均小于工作面瓦斯設(shè)置的報(bào)警界限值0.8%，據(jù)此知15203工作面回采期間采用的頂板高位鉆孔瓦斯抽采與上隅角埋管的瓦斯抽采技術(shù)工作面瓦斯的治理取得了顯著的效果，保障了工作面安全高效生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

針對(duì)15203工作面瓦斯涌出量的具體情況，通過綜合運(yùn)用順層鉆孔瓦斯預(yù)抽、頂板高位鉆孔抽采與上隅角埋管抽采相結(jié)合的方式進(jìn)行工作面的瓦斯治理，并結(jié)合工作面的具體情況對(duì)各項(xiàng)抽采技術(shù)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，根據(jù)瓦斯抽采效果分析知，當(dāng)15203工作面采取上述瓦斯綜合治理技術(shù)后，工作面回風(fēng)側(cè)與上隅角最大的瓦斯?jié)舛确謩e0.34%和0.47%，回采過程中無瓦斯積聚現(xiàn)象出現(xiàn)，為礦井安全高效生產(chǎn)提供保證。