淺談祥升煤業(yè)3301 工作面瓦斯治理效果

劉金鋒

（山西壽陽潞陽祥升煤業(yè)有限公司，山西 長治 045414）

祥升煤礦隸屬于山西潞安集團(tuán)，井田面積為10.4 km2，開采深度1160～710 m，核定生產(chǎn)能力90 萬t/a，現(xiàn)采煤層主要為3#、6#和15#下煤層。根據(jù)2020 年瓦斯等級測定，礦井絕對瓦斯涌出量為89.64 m3/min，相對瓦斯涌出量為22.74 m3/t，回采工作面最大瓦斯絕對涌出量為15.42 m3/min，掘進(jìn)工作面最大瓦斯絕對涌出量為3.55 m3/min，屬于高瓦斯礦井，自燃傾向性屬不易自燃。3301 工作面是祥升礦3#煤三采區(qū)第一個(gè)工作面，工作面標(biāo)高+885～ +920 m，煤層均厚2.0 m，煤層賦存地質(zhì)結(jié)構(gòu)簡單，頂板為砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖，少量為細(xì)砂巖，屬穩(wěn)定的全區(qū)可采煤層。工作面布置方式分為里外兩個(gè)階段，其中里段采用“U”型，外段采用“Y”型方式布置巷道?；夭衫锒螘r(shí)皮順進(jìn)風(fēng)，專用回風(fēng)巷回風(fēng)，回采外段時(shí)，皮順、軌順進(jìn)風(fēng)，專用回風(fēng)巷回風(fēng)，如圖1。皮順長度1012 m，軌順長度991 m，設(shè)計(jì)可采長度966 m，切眼210 m，可采儲(chǔ)量約53.96 萬t，煤層為不易自燃，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。根據(jù)3#煤層瓦斯地質(zhì)圖及采區(qū)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定報(bào)告，工作面煤層瓦斯含量為6～8.5 m3/t，殘存瓦斯含量為2.35 m3/t，預(yù)測瓦斯含量最大為8.5 m3/t，煤層孔隙率為4.11%，透氣性系數(shù)為0.16～0.297 m2/（MPa2.d），百米鉆孔瓦斯流量為0.02 m3/min，衰減系數(shù)為0.036 d-1，瓦斯放散初速度為9.3 mmHg。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對工作面瓦斯儲(chǔ)量及可抽量進(jìn)行預(yù)測，3301 工作面瓦斯儲(chǔ)量為458.66 萬m3，可抽瓦斯儲(chǔ)量331.85 萬m3。

圖1 3301 工作面布置圖

1 掘進(jìn)期間的瓦斯治理

祥升煤礦隸屬于山西潞安集團(tuán)，按照《潞安集團(tuán)“一通三防”管理制度》（2016）要求：（1）掘進(jìn)過程中出現(xiàn)工作面絕對瓦斯涌出量≥3 m3/min、百米巷道最高瓦斯涌出量達(dá)到0.5 m3/min 或治理瓦斯實(shí)際供風(fēng)量大于1000 m3/min 三種情況，必須實(shí)施邊掘邊抽；（2）當(dāng)掘進(jìn)工作面原始瓦斯含量大于或等于8 m3/t 時(shí)，必須先抽后掘，采用穿層預(yù)抽、迎頭預(yù)抽或鄰巷預(yù)抽超前抽采瓦斯，待瓦斯含量降至8 m3/t 以下方可進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。根據(jù)工作面實(shí)際情況，決定采用在巷道兩側(cè)交替布置邁步鉆場進(jìn)行邊掘邊抽，以及工作面迎頭布置預(yù)抽鉆孔的方式進(jìn)行掘進(jìn)期間的瓦斯治理。

1.1 邊掘邊抽鉆孔

3301 工作面掘進(jìn)工作面兩側(cè)交替布置邁步鉆場，鉆場規(guī)格尺寸為：深4.5 m，長4 m，高3 m。鉆場掘成后，在開口處應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)，確保安全。邁步鉆場布置：同側(cè)鉆場間距100 m，異側(cè)鉆場間距50 m，每個(gè)鉆場布置6 個(gè)鉆孔（共布置2 層，每層布置3 個(gè)鉆孔），鉆孔長度120 m，孔徑94 mm，鉆孔間距0.5 m，鉆孔與巷道走向夾角2°、4°和6°，鉆孔與水平面夾角與煤層傾角一致。具體布置如圖2。

圖2 邊掘邊抽鉆場鉆孔布置示意圖

1.2 工作面迎頭預(yù)抽鉆孔

工作面迎頭布置12 個(gè)預(yù)抽鉆孔（共布置3 層，每層布置4 個(gè)鉆孔），鉆孔朝向巷道前進(jìn)方向，鉆孔長度120 m，孔徑94 mm。鉆孔技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔技術(shù)參數(shù)表

2 采煤工作面瓦斯治理

采煤工作面的瓦斯主要來源于回采落煤瓦斯涌出、采空區(qū)瓦斯涌出和下臨近層瓦斯涌出。根據(jù)煤層瓦斯抽放難易程度分析，3#煤層瓦斯為可以抽采。3301 工作面的鄰近層主要為下鄰近層6#、8#、9#，距離3#煤層間距較小，且頂板裂隙發(fā)育，受采動(dòng)影響，下鄰近層瓦斯通過裂隙進(jìn)入3#煤層采空區(qū)，可采用采空區(qū)埋管抽采對該部分瓦斯進(jìn)行治理。根據(jù)3301 工作面瓦斯地質(zhì)圖瓦斯含量以及《3 號、6 號煤層三采區(qū)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定》，決定3#煤層3301 工作面瓦斯抽采采用順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，采空區(qū)采用沿空留巷埋設(shè)抽采管路抽排瓦斯的治理方法。在3301 皮順、3301 軌順、3301 專用回風(fēng)巷分別布置一趟Ф325 mm 瓦斯管路，3301 皮順和3301 軌順瓦斯管路帶抽采工作面煤層預(yù)抽鉆孔，由地面瓦斯泵站高負(fù)壓帶抽，3301 專用回風(fēng)巷瓦斯管路延伸至3301 皮順，單U 段回采時(shí)帶抽頂板裂隙帶鉆孔，沿空留巷段回采時(shí)，帶抽采空區(qū)埋管，由地面瓦斯泵站低負(fù)壓帶抽。

2.1 本煤層預(yù)抽鉆孔

在3301 皮順112 m 位置開始至距切眼20 m處，以及3301 軌順材料巷口20 m 位置開始至距切眼20 m 處分別施工平行順層預(yù)抽鉆孔，鉆孔間距5 m，鉆孔開孔高度1.3 m，鉆孔方位角20°，傾角0～±5°，鉆孔直徑94 mm，鉆孔深度115 m，共施工鉆孔390 個(gè)，鉆孔進(jìn)尺44 850 m，如圖3。3301 工作面里段采用“U 型”通風(fēng)系統(tǒng)，在該區(qū)域內(nèi)皮順施工頂板裂隙帶鉆孔，鉆孔從巷道頂板處開孔，每3 個(gè)鉆孔為一組，組間距為5 m。1#鉆孔方位角-8°，2#鉆孔方位角-4°，3#鉆孔方位角0°，鉆孔傾角均為30°，鉆孔深度50 m，鉆孔終孔垂高25 m，施工距離130 m，共26 組合計(jì)78 個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺3900 m，如圖4。

圖3 本煤層預(yù)抽鉆孔布置示意圖

2.2 采空區(qū)沿空留巷埋管抽采

采空區(qū)沿空留巷是在皮順采取沿空切頂留巷措施。為有效治理3301 工作面沿空留巷段回采期間的瓦斯，設(shè)計(jì)在沿空留巷墻體上進(jìn)行采空區(qū)埋管抽采，在3301 專用回風(fēng)巷鋪設(shè)一趟Ф426 mm 瓦斯管路延伸至3301 皮順用于采空區(qū)埋管抽采。隨著工作面的推進(jìn)逐步延伸管路，每間隔100 m 在皮順留巷幫埋設(shè)一根Ф325 mm 瓦斯管進(jìn)行采空區(qū)抽采。在沿空切頂留巷假幫預(yù)鋪設(shè)兩側(cè)風(fēng)筒布，通過頂板垮落壓實(shí)形成封閉，并在沿空切頂留巷起始處施工密閉，閉墻埋設(shè)抽采管路直接抽采采空區(qū)瓦斯。由于沿空切頂留巷起始處施工有閉墻，并埋瓦斯管進(jìn)行抽采，使閉墻里側(cè)采空區(qū)內(nèi)形成泄壓區(qū)，采空區(qū)瓦斯通過氣體流場進(jìn)入泄壓區(qū)，經(jīng)過瓦斯抽采系統(tǒng)排出，如圖5。

圖4 頂板裂隙帶鉆孔布置示意圖

圖5 采空區(qū)瓦斯治理原理示意圖

3 “Y 型”通風(fēng)系統(tǒng)瓦斯治理情況

（1）“Y 型”通風(fēng)系統(tǒng)形成初期，軌道順槽配風(fēng)量1750 m3/min，膠帶順槽配風(fēng)量500 m3/min。在起始階段，實(shí)測回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛葹?.36%，工作面風(fēng)排瓦斯量為8. 1 m3/min，沿空切頂留巷假幫處瓦斯?jié)舛绕骄?.30%，工作面煤層瓦斯抽采量3.3 m3/min，采空區(qū)瓦斯抽采混量為100 m3/min，抽采純量為2.5 m3/min，工作面抽采率為41.7%。

（2）隨著3301 工作面的推進(jìn)，3301 皮順沿空切頂留巷里程越來越長，起始閉墻處的抽采卸壓區(qū)作用距離有限，則沿空切頂留巷假幫靠近支架20～30 m 處的瓦斯升高。沿空留巷150 m 時(shí)，假幫處瓦斯?jié)舛茸罡?.60%左右，回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛葹?.50%。此時(shí)安排在沿空切頂留巷段假幫埋設(shè)第二趟瓦斯管路進(jìn)行抽采，形成第二個(gè)卸壓區(qū)，假幫埋管處瓦斯?jié)舛茸罡?.75%左右，回風(fēng)流平均瓦斯?jié)舛壬仙秊?.50%。經(jīng)分析，假幫埋管抽采會(huì)造成采空區(qū)抽采點(diǎn)與沿空切頂留巷埋管抽采點(diǎn)的負(fù)壓進(jìn)行對拉，且管路口埋入深度距假幫較近，采空區(qū)內(nèi)瓦斯流場方向變動(dòng)，將部分瓦斯帶至假幫處并向巷道內(nèi)涌出，導(dǎo)致回風(fēng)流瓦斯?jié)舛壬摺?/p>

根據(jù)沿空切頂留巷埋管試驗(yàn)結(jié)果，采取增大采空區(qū)埋管處抽采負(fù)壓能力的方式來進(jìn)一步解決采空區(qū)瓦斯問題，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛入S之降至0.42%，工作面風(fēng)排瓦斯量為9.45 m3/min，沿空切頂留巷假幫處瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.55%，工作面煤層瓦斯抽采量3.2 m3/min，采空區(qū)瓦斯抽采混量為150 m3/min，抽采純量為4 m3/min，工作面抽采率為43.2%。

（3）沿空留巷至260 m 時(shí)，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍俅紊?，工作面瓦斯?jié)舛葹?.30%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.60%。經(jīng)分析得知，因埋入管路口距假幫較近，使采空區(qū)的泄壓區(qū)距假幫較近，隨著生產(chǎn)的推進(jìn)，在泄壓區(qū)的作用下，沿空切頂留巷假幫處及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛仍俅紊?，采空區(qū)瓦斯涌出量隨之升高。

4 結(jié)論

采用瓦斯抽采技術(shù)并輔之以“Y 型”通風(fēng)，對3301 工作面掘進(jìn)期間、工作面開采期間進(jìn)行瓦斯治理，有效降低了煤層瓦斯含量，減少了工作面瓦斯涌出，提高了煤炭資源回收率。根據(jù)收集數(shù)據(jù)，工作面回采過程中瓦斯?jié)舛仍诳煽胤秶鷥?nèi)，不僅解決了單“U”通風(fēng)系統(tǒng)由于上隅角通風(fēng)不暢瓦斯?jié)舛容^高的問題，還提升了綜采工作面的瓦斯抽采率，且采用沿空切頂留巷技術(shù)，提高了近5.2 萬t 的原煤資源回收，可減少掘進(jìn)巷道施工890 m，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益約800 萬元。