高瓦斯礦井綜放U型工作面“四位一體”瓦斯治理技術(shù)研究

＊薛曉軍

（太原煤氣化龍泉能源發(fā)展有限公司 山西 030303）

龍泉煤礦是一座特大型高瓦斯礦井，該礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為34.95m3/min，回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為19.71m3/min，掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為1.33m3/min。目前開(kāi)采瓦斯解析量較大、低透氣性的4號(hào)煤層，隨著綜放工作面產(chǎn)量加大，礦井達(dá)產(chǎn)，瓦斯涌出量隨之增大，瓦斯危害更加顯現(xiàn)。為有效治理綜放工作面瓦斯，并提高礦井經(jīng)濟(jì)效益，根據(jù)礦井現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況，制定了“四位一體”瓦斯治理技術(shù)，能夠有效降低回采工作面上隅角瓦斯，確保回采工作面的安全生產(chǎn)。

1.工作面概況

龍泉煤礦4203工作面位于礦井第一水平二采區(qū)的第三個(gè)工作面，該工作面走向長(zhǎng)2550m，傾向長(zhǎng)250m，平均采高6.8m，煤層傾角4°～8°，該工作面無(wú)偽頂，直接頂為中砂巖，老頂為細(xì)-粗砂巖，可采儲(chǔ)量561萬(wàn)噸，瓦斯含量4.94m3/t，所采煤層自燃傾向性為Ⅱ類，煤塵具有爆炸性。4203工作面采用綜采放頂煤回采工藝，“一進(jìn)兩回”通風(fēng)方式，配風(fēng)量3000m3/min，風(fēng)排瓦斯量12.64m3/min。工作面采用本煤層鉆孔、中位截流鉆孔、高位定向鉆孔、上隅角插管四種方法綜合抽采瓦斯，瓦斯抽放量7.07m3/min，在回采過(guò)程中，4203上隅角甲烷濃度最大值達(dá)到0.72%左右。

2.瓦斯治理難點(diǎn)

采煤工作面放煤期間，瓦斯釋放量較大；采空區(qū)遺煤，由于長(zhǎng)時(shí)間緩慢釋放，大量瓦斯聚集在采空區(qū)；上隅角采空區(qū)頂板受來(lái)壓垮落矸石不能有效充填采空區(qū)，致使大量瓦斯積聚在支架上方及后方空洞中，在頂板垮落時(shí)，將采空區(qū)的瓦斯周期性地?cái)D入工作面。

3.瓦斯治理技術(shù)

（1）“四位一體”瓦斯治理技術(shù)是指：從本煤層預(yù)抽、中位鉆孔截流、高位定向鉆孔、采空區(qū)插管抽采為契入點(diǎn)，井下移動(dòng)瓦斯抽采系統(tǒng)抽采工作面上隅角瓦斯，地面永久瓦斯抽采系統(tǒng)抽采工作面本煤層、中高位鉆孔瓦斯，做到“井上下一體化抽采”，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采全覆蓋。

（2）實(shí)施技術(shù)方案。利用現(xiàn)有地面永久瓦斯抽采泵站，新建井下移動(dòng)瓦斯抽采泵站，通過(guò)合理調(diào)配工作面風(fēng)量，以4203工作面為項(xiàng)目試驗(yàn)研究地點(diǎn)，采用U型通風(fēng)系統(tǒng)、優(yōu)化抽采工藝、瓦斯抽采全覆蓋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析、總結(jié)、研究綜放U型工作面“四位一體”瓦斯治理技術(shù)手段。

①?gòu)?qiáng)化本煤層鉆孔抽采（“一位”）。為解決4號(hào)煤層厚度大、透氣性差的問(wèn)題，合理確定本煤層鉆孔間距、長(zhǎng)度及預(yù)抽方式，同時(shí)采用“兩堵一注”封孔技術(shù)，提高鉆孔封孔質(zhì)量，且孔口負(fù)壓不得低于15kPa，預(yù)抽時(shí)間不得低于9個(gè)月，確保采煤工作面預(yù)抽瓦斯效果達(dá)標(biāo)。

圖1 4203工作面本煤層鉆孔布置圖、封孔圖

圖2 4203工作面高位鉆孔布置圖

②施工高位定向抽采鉆孔（“一位”）。根據(jù)采煤工作面煤層特性，距工作面切眼500m鉆場(chǎng)內(nèi)施工φ150mm大孔徑千米定向高位鉆孔，并根據(jù)40-50m不同層位布置分支鉆孔，用于抽采工作面頂板裂隙區(qū)域瓦斯，治理工作面采空區(qū)和上隅角瓦斯。

③更進(jìn)中位截流抽采鉆孔（“一位”）。為加強(qiáng)工作面放煤、拉架等特殊環(huán)節(jié)瓦斯管理，隨工作面推進(jìn)，距工作面切眼50m外施工層位為10-25m中位截流鉆孔，用于攔截抽采工作面頂板垮落區(qū)域瓦斯。

圖3 4203工作面中位鉆孔布置圖

④上隅角插管抽采瓦斯（“一位”）。新建“低負(fù)壓、大流量”井下移動(dòng)瓦斯抽采泵站服務(wù)于采煤工作面上隅角瓦斯抽采，用于改變上隅角瓦斯流場(chǎng)，充分抽排渦流區(qū)域瓦斯。

⑤井上下泵站一體化抽采（“一體”）。礦井地面永久瓦斯泵站用于抽采工作面本煤層、中位及高位鉆孔瓦斯，井下移動(dòng)瓦斯泵站用于抽采工作面上隅角瓦斯，井上下抽采系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化聯(lián)合抽采。

圖5 4203工作面瓦斯抽采示意圖

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施成效。

①合理調(diào)配風(fēng)量。4203采煤工作面應(yīng)配風(fēng)量1677m3/min，為確保采煤工作面均衡配風(fēng)，控制采空區(qū)瓦斯涌出，進(jìn)一步提高工作面瓦斯抽采效果，對(duì)采煤工作面風(fēng)量進(jìn)行了合理調(diào)配。未使用“四位一體”瓦斯治理技術(shù)前，工作面配風(fēng)量3000m3/min，上隅角甲烷濃度在0.52%～0.75%，嚴(yán)重影響采煤工作面安全生產(chǎn)；采用“四位一體”瓦斯治理技術(shù)后，風(fēng)量降為2200m3/min，工作上隅角甲烷濃度控制在0.4%以下，有效保證了采煤工作面的安全生產(chǎn)。

②強(qiáng)化本煤層抽采。結(jié)合4號(hào)煤特性，通過(guò)改進(jìn)預(yù)抽本煤層瓦斯方式，施工針對(duì)性本煤層上、下行鉆孔，使鉆孔充分布置在煤層瓦斯帶內(nèi)，鉆孔抽采負(fù)壓由13kPa提高到18kPa；改變封孔方式，采用氣動(dòng)注漿泵，“兩堵一注”帶壓封孔技術(shù)，注漿流量不低于20L/min，額定注漿壓力不低于2MPa，從而提高封孔質(zhì)量，且預(yù)抽時(shí)間不得低于9個(gè)月，確保預(yù)抽瓦斯效果。

③“以孔代巷”抽采。根據(jù)煤層地質(zhì)條件，按照8-10倍采高，優(yōu)化中、高位鉆孔層位，采用φ150mm大直徑鉆孔，同時(shí)鉆孔抽采負(fù)壓由20kPa提高到32kPa，實(shí)現(xiàn)“以孔代巷”，取代傳統(tǒng)的瓦斯抽采巷道，治理采空區(qū)和上隅角瓦斯。

④提升上隅角抽采效果。由于綜放采煤工藝后溜及端頭架支護(hù)滯后原因，存在上隅角空間大、風(fēng)流方向不穩(wěn)定、瓦斯容易積聚問(wèn)題，針對(duì)此現(xiàn)象，礦井采煤工作面進(jìn)回風(fēng)隅角實(shí)行動(dòng)態(tài)退錨剪網(wǎng)措施，確保采空區(qū)頂板充分垮落，抑制采空區(qū)瓦斯涌出，并用“低負(fù)壓、大流量”井下移動(dòng)瓦斯抽采系統(tǒng)改變上隅角瓦斯流向，提升上隅角瓦斯抽采效果。

⑤實(shí)施效果對(duì)比。未采用“四位一體”瓦斯治理技術(shù)前，4203工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為19.71m3/min，其中風(fēng)排瓦斯量為12.64m3/min，瓦斯抽采量為7.07m3/min，正?；夭蓵r(shí)上隅角甲烷濃度為0.65%左右，工作面T2甲烷濃度為0.54%，T6甲烷濃度為0.50%；采用“四位一體”瓦斯治理技術(shù)后，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為19.70m3/min，其中風(fēng)排瓦斯量為8.85m3/min，瓦斯抽采量為10.85m3/min，其中井下移動(dòng)泵站抽采量為3.23m3/min，工作面瓦斯抽采率由36.23%提升到了56.49%，正?；夭蓵r(shí)上隅角甲烷濃度降到0.35%左右，T2甲烷濃度為0.28%，T6甲烷濃度為0.24%，較之前下降50%左右。

4.總結(jié)

綜放U型工作面”四位一體“瓦斯治理技術(shù)的應(yīng)用，使得龍泉礦井所有采煤工作面只布置兩條巷道，不僅帶來(lái)巨大直接經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是保障了采煤工作面安全生產(chǎn)，無(wú)形之中為礦井帶來(lái)更高的間接經(jīng)濟(jì)效益；為工作面U型通風(fēng)創(chuàng)造了有力前提條件，確保了采煤工作面U型通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，從而為采煤工作面通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有力保障；有效降低了采煤工作面和上隅角甲烷濃度，對(duì)礦井節(jié)支降耗、安全生產(chǎn)取得良好效益。