復雜瓦斯地質(zhì)條件下回采工作面瓦斯治理技術(shù)

王文柱

（山西壽陽段王煤業(yè)集團有限公司，山西 壽陽 045400）

1 工作面概況

段王煤礦正在回采090507 工作面，回采煤層為8+9 號，采用綜采放頂煤開采工藝。090507 工作面位于一水平的0105 采區(qū)東翼，標高為+760～ +990 m，走向長度為2612 m，傾向長度為180 m。工作面煤層賦存較為穩(wěn)定，煤層平均厚度4.4 m，傾角4～8°，平均6°，埋深由西向東從188 m 逐漸增加到414 m，是目前8+9 號煤層開采的最深部。工作面煤層瓦斯含量在4.81～7.74 m3/t 之間。

2 工作面瓦斯情況

2.1 工作面瓦斯賦存

090507 工作面瓦斯賦存受埋深和地質(zhì)構(gòu)造影響，工作面中部聯(lián)巷向外埋深較小且陷落柱較多，有利于瓦斯散逸，瓦斯含量偏低；中部聯(lián)巷向里埋深較大，瓦斯含量較高；工作面中部聯(lián)巷區(qū)域以及拐點區(qū)域受應力集中影響局部煤層透氣性較差，瓦斯含量較高；工作面拐點向里受15 號煤保護層開采影響，煤層透氣性變好，煤層瓦斯解吸釋放，含量稍微減小。

2.2 工作面瓦斯治理難點

通過分析，090507 綜采放頂煤工作面存在瓦斯治理的難點有：

（1）由于巷道布置的關(guān)系，將工作面由偏“W”型通風改為“U”型通風，影響通風排瓦斯；

（2）工作面初采區(qū)域埋深最大，地質(zhì)條件有利于瓦斯保存，瓦斯含量高，回采時容易導致瓦斯涌出量較大，增加回采初期瓦斯治理難度；

（3）工作面上鄰近層瓦斯含量大，層間距小，回采過程中鄰近層瓦斯涌出量大；

（4）工作面膠帶巷側(cè)有部分三角區(qū)域與下方15 號煤層四采區(qū)的老空區(qū)范圍重合（如圖1 所示），在回采過程中會導致15 煤老采空區(qū)瓦斯涌入到工作面；

（5）綜放工藝導致的采空區(qū)遺煤解吸瓦斯會增加上隅角瓦斯治理負擔；

（6）工作面鉆孔工程量大，工期短，瓦斯治理時間非常緊張。

圖 1 150401 工作面采空區(qū)與090507 工作面位置關(guān)系圖

3 瓦斯綜合治理

3.1 瓦斯綜合治理模式

為提高段王煤礦瓦斯治理水平和切實解決回采工作面的瓦斯治理難題，段王煤礦加強與科研院所合作，利用先進的瓦斯治理理念和技術(shù)手段，緊密結(jié)合090507 工作面實際，形成了“一段一策”的瓦斯治理模式。具體來說，從技術(shù)層面上，根據(jù)工作面的地質(zhì)條件、鄰近層瓦斯含量、鄰近工作面的層位關(guān)系、瓦斯賦存狀態(tài)、埋深等因素，將工作面劃分成若干個塊段，對每一個塊段采取有效的技術(shù)手段進行靶向治理；從管理層面上，改變瓦斯治理思路，重視本煤層瓦斯抽采，擴容瓦斯抽采渠道，增加高位鉆場設(shè)置部位，優(yōu)化鉆孔布置，改進連孔工藝，由“一孔一連接”改為“多孔分組連接”，改變封孔工藝，推廣使用“兩堵一注”封孔技術(shù)，增加高位鉆孔直徑，提高抽采效果，實現(xiàn)工作面瓦斯綜合治理的目的。

3.2 塊段劃分

根據(jù)“一段一策”的瓦斯治理理念，將090507工作面劃分為4 個塊段，分別是：塊段一，范圍包括工作面膠帶巷側(cè)1825～2612 m 之間與下方15 號煤層四采區(qū)的老空區(qū)所疊加形成的三角形狀區(qū)域；塊段二，范圍包括工作面1825 m 處至工作面切眼除去塊段一后的剩余區(qū)域；塊段三，范圍包括工作面1200～1750 m 區(qū)域；塊段四，范圍包括工作面0～1200 m 區(qū)域。劃分區(qū)域如圖2 所示。

圖 2 工作面“一段一策”塊段劃分示意圖

3.3 瓦斯治理措施

3.3.1 塊段一瓦斯治理措施

（1）本煤層鉆孔預抽

該區(qū)域內(nèi)工作面膠帶巷一側(cè)下部為15 煤采空區(qū)，對靠近膠帶巷的區(qū)域煤層有一定程度的卸壓釋放作用，煤層透氣性也大大增加。因此本煤層抽采鉆孔設(shè)計膠帶巷和軌道巷雙側(cè)打孔，鉆孔開孔高度為1.3 m，間距2 m，孔徑94 mm，孔深95 m，鉆孔垂直于煤壁。

（2）頂板高位鉆孔

通過對段王礦8+9 號煤層頂板巖性及活動規(guī)律研究，由于初采階段的瓦斯涌出量較大，膠帶巷側(cè)每間隔50 m 設(shè)置一個鉆場，每個鉆場內(nèi)布置6個鉆孔，鉆孔傾角為21～24°，鉆孔與巷道夾角為9～25°，鉆孔平均深度105 m，鉆孔直徑113 mm，終孔位于膠帶巷內(nèi)錯15～45 m、高度距煤層頂板35～40 m 之間。鉆孔布置示意圖如圖3 所示。

圖 3 膠帶巷內(nèi)高位鉆孔布置示意圖

（3）下向鉆孔

在膠帶巷側(cè)施工下向鉆孔進行抽采攔截15 號煤層老空區(qū)瓦斯，設(shè)計于本煤層鉆場中施工2 個下向鉆孔（如圖4 所示）。鉆孔傾角分別為-46°和-27°，鉆孔方位角為115°和252°，平均深度為124 m，鉆孔直徑為113 mm。

圖4 膠帶巷下向鉆孔設(shè)計示意圖

3.3.2 塊段二瓦斯治理措施

（1）本煤層鉆孔預抽

該塊段內(nèi)煤層埋深較深，瓦斯含量高，因此該區(qū)域采用雙側(cè)布孔，沿用塊段一的鉆孔布置方式。

（2）頂板高位鉆孔

根據(jù)工作面拐點以東區(qū)域瓦斯含量較大、初采階段的瓦斯涌出特點和鉆孔抽采搭接時效等因素，軌道巷側(cè)每間隔70 m 設(shè)置一個鉆場，每個鉆場內(nèi)布置16 個鉆孔，鉆孔分為兩排布置，鉆孔傾角分別為13°和18°，終孔高度距煤層頂板分別30 m、40 m，孔徑113 mm，覆蓋范圍內(nèi)錯軌道巷10～66 m。鉆孔布置示意圖如圖5 所示。

圖5 塊段二軌道巷內(nèi)高位鉆孔布置示意圖

3.3.3 塊段三瓦斯治理措施

（1）本煤層鉆孔預抽

該塊段內(nèi)煤層埋深和瓦斯含量均低于初采區(qū)域，結(jié)合工作面長度較長的實際情況，該區(qū)域采用雙側(cè)布孔。膠帶巷和軌道巷側(cè)鉆孔開孔高度為1.3 m，間距4 m，孔徑94 mm，孔深95 m，鉆孔垂直于煤壁。

（2）頂板高位鉆孔

膠帶巷側(cè)每間隔50 m 設(shè)置一個鉆場，每個鉆場內(nèi)布置6 個鉆孔。鉆孔參數(shù)及鉆孔布置示意圖同塊段一。

軌道巷側(cè)每間隔70 m 設(shè)置一個鉆場，每個鉆場內(nèi)布置16 個鉆孔。鉆孔參數(shù)及鉆孔布置示意圖同塊段二。

3.3.4 塊段四瓦斯治理措施

（1）本煤層鉆孔預抽

該塊段內(nèi)煤層埋深較淺，瓦斯含量較低，因此該區(qū)域在軌道巷單側(cè)布孔。鉆孔開孔高度為1.3 m，間距6 m，孔徑94 mm，孔深165 m，鉆孔垂直于煤壁。

（2）頂板高位鉆孔

軌道巷側(cè)每間隔50 m 設(shè)置一個鉆場，每個鉆場布置6 個鉆孔，鉆孔傾角為22～24°，鉆孔與巷道夾角為4～25°，孔徑113 mm，平均孔深為110 m，終孔距煤層頂板40 m，覆蓋范圍內(nèi)錯軌道巷7～50 m。

3.3.5 上隅角埋管抽放

在軌道巷布置直徑457 mm 的一趟管路進入采空區(qū)，如圖6 所示。每間隔15～30 m 將抽放管接頭錯開，實現(xiàn)分段連續(xù)抽放。

圖6 上隅角埋管抽放瓦斯方法示意圖

3.4 瓦斯治理效果分析

（1）090507 膠帶巷側(cè)本煤層鉆孔抽采效果。鉆孔在抽采開始后0～7 d 單孔抽采濃度最高達到60%，7～49 d 鉆孔平均抽采濃度在38% 左右，49～113 d 鉆孔平均濃度在24%左右，113 d 后平均濃度在11%左右，并保持穩(wěn)定。分析認為，皮帶巷鉆孔抽采瓦斯很大一部分來源于下部15 號煤老空區(qū)，從而使鉆孔瓦斯能夠在較高的濃度下持續(xù)較長時間。

（2）090507 軌道巷本煤層鉆孔抽采效果。鉆孔開始抽采0～8 d 抽采濃度最高為75%，抽采8～50 d 后，抽采濃度平均維持在33%左右，抽采50～92 d，鉆孔抽采平均濃度維持在25%，抽采92 d 后，鉆孔平均濃度下降到10%，并保持穩(wěn)定。

（3）高位鉆孔抽采效果。統(tǒng)計所有高位鉆孔的抽采數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)鉆孔有效抽采時間和利用率較高。其中，5 號鉆場中高位鉆孔的平均長度為109.3 m，高位鉆孔有效抽采平距平均為69.5 m，有效抽采時間為14.5 d，鉆孔利用率為63.6%；9 號鉆場中高位鉆孔的平均長度為130.5 m，高位鉆孔的有效抽采平距平均為110.6 m，有效抽采時間為24.3 d，鉆孔利用率為84.8%。

（4）上隅角瓦斯抽采效果。090507 工作面于2018 年4 月9 日開始進行上隅角抽放，抽放系統(tǒng)運行穩(wěn)定。上隅角埋管抽采效果與工作面周期來壓的關(guān)系密切，周期來壓期間頂板垮落上隅角埋管抽放效果較好，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)上隅角瓦斯抽采濃度維持在0.5%～1.4%之間。

4 結(jié)論

（1）段王煤礦090507 工作面受復雜地質(zhì)條件影響，煤層瓦斯含量分布差異性較大，給瓦斯治理工作帶來了難度。通過與科研院所合作，引進先進理念、先進技術(shù)和管理經(jīng)驗，在摸清了段王礦瓦斯賦存規(guī)律的前提下，提出了“一段一策”的瓦斯治理模式，對不同塊段采取不同的治理措施，實現(xiàn)了工作面瓦斯綜合治理的目的。

（2）通過采用新的瓦斯治理理念和技術(shù)，實現(xiàn)090507 工作面由偏“W”型通風轉(zhuǎn)為“U”型通風，減少巷道掘進量，既降低了礦井生產(chǎn)成本，又大大緩解了礦井采掘接替緊張的局面。

（3）工作面瓦斯實行分段治理后，回風流瓦斯?jié)舛扔沙跗谖椿夭蓵r的0.36%～0.49%，平均為0.42%，降低到穩(wěn)定生產(chǎn)時的0.22%～0.34%，平均為0.25%。在工作面最高月產(chǎn)達到18 萬t 情況下，瓦斯零超限，保障了工作面安全高效生產(chǎn)。