31051綜采面瓦斯綜合治理技術(shù)應(yīng)用

程立華

（同煤集團(tuán)忻州窯礦，山西 大同 037000）

我國(guó)井工礦井采深每年以10～20 m 的速度向深部延伸[1-2]。隨著井工煤礦采深增加，煤層原始瓦斯含量逐步增高，造成工作面絕對(duì)瓦斯涌出量增高；另因工作面多采用U 型通風(fēng)，對(duì)瓦斯治理多采用風(fēng)排瓦斯治理方案，導(dǎo)致回風(fēng)隅角易存在瓦斯聚積。此外，礦井采空區(qū)頂板管理現(xiàn)階段多采用直接垮落法，上覆巖層從上到下依次為彎曲下沉帶、裂隙帶以及垮落帶，在裂隙帶內(nèi)發(fā)育有縱橫交錯(cuò)的裂隙[3-5]，裂隙內(nèi)存在瓦斯聚積，在工作面頂板來(lái)壓期間，易造成大量瓦斯涌出，給工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)威脅。因此，以王莊煤礦31051 綜采工作面瓦斯抽采為例，對(duì)采空區(qū)頂板裂隙帶及工作面回風(fēng)隅角瓦斯進(jìn)行抽采設(shè)計(jì)，通過針對(duì)性抽采措施實(shí)現(xiàn)瓦斯有效治理，保障工作面安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

王莊煤礦31051 工作面位于31 采區(qū)中部，工作面走向可采長(zhǎng)度492 m，傾向長(zhǎng)度183 m，平均埋深651～683 m，主采3 號(hào)煤層，均厚4.3 m，煤層傾角8°～15°，工作面下部為31051 運(yùn)輸順槽，上部為31051 回風(fēng)順槽，北鄰31071 已采工作面，南鄰31031 未采工作面，東鄰礦井井田邊界，西鄰31 采區(qū)三條上山（軌道運(yùn)輸上山、膠帶運(yùn)輸上山、回風(fēng)上山）。31051 工作面原始瓦斯含量4.38 m3/t，可解析瓦斯含量1.76 m3/t，工作面為全負(fù)壓U 型通風(fēng)。

2 瓦斯抽采系統(tǒng)布置方案設(shè)計(jì)

根據(jù)31051 工作面原始瓦斯含量、可解析瓦斯含量及全負(fù)壓風(fēng)量情況，設(shè)計(jì)采用高位鉆孔頂板裂隙帶抽采+回風(fēng)隅角埋管抽采方案進(jìn)行瓦斯綜合治理。31051 綜采面平面布置及抽采系統(tǒng)布置見圖1。

圖1 31051 綜采面平面布置及抽采系統(tǒng)布置

3.1 抽采管路布置

31051 工作面瓦斯抽采管路均布置于31051工作面回風(fēng)順槽內(nèi)，共布置2 趟抽采管路，管路直徑為400 mm，材質(zhì)為鍍鋅螺旋焊接鋼管，一趟用于頂板裂隙帶高位鉆孔瓦斯抽采，一趟用于工作面上隅角埋管抽采。管路系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)如下：

（1）高位鉆孔抽采管路布置：自31 采區(qū)瓦斯抽采硐室2 號(hào)瓦斯抽采泵（抽采負(fù)壓15 kPa）接出，管路經(jīng)31 采區(qū)回風(fēng)上山進(jìn)入31051 回風(fēng)順槽，管路末端在31051 回風(fēng)順槽8 號(hào)高位鉆場(chǎng)口處。該管路鋪設(shè)途中，需在每個(gè)高位鉆場(chǎng)口處安設(shè)一個(gè)三通，并在三通出口轉(zhuǎn)接一個(gè)不少于7 孔的集流器，用于連接高位鉆場(chǎng)內(nèi)的抽采軟管。

（2）回風(fēng)隅角抽采管路布置：自31 采區(qū)瓦斯抽采硐室3 號(hào)瓦斯抽采泵（抽采負(fù)壓10 kPa）接出，管路經(jīng)31 采區(qū)回風(fēng)上山進(jìn)入31051 回風(fēng)順槽，管路末端在31051 切巷向外10～20 m處，管路末端連接一個(gè)特制集流器，集流器上有4 個(gè)外徑為150 mm 且含截止閥的軟管連接口，通過軟管連接口，采用4 根Φ150 mm 的瓦斯抽采軟管延接至工作面上切口，用于工作面上隅角瓦斯抽采。

（3）管路放水器設(shè)置：兩趟抽采管路均要求在巷道低洼處安裝一個(gè)負(fù)壓放水器，用于管路積水的收集及排放。

（4）管路吊掛要求：在31051 回風(fēng)順槽巷道北幫每隔3 m 施工一根抽采管路專用吊掛錨桿，采用直徑為12 mm 的鋼絲繩吊掛，吊掛鋼絲繩穿過一根內(nèi)徑為14 mm、厚度為3 mm、長(zhǎng)度為800 mm 的黑皮軟管，用于鋼絲繩與抽采管路接觸面間的襯墊，每根吊掛鋼絲繩采用2 個(gè)繩卡固定，吊掛點(diǎn)間距為3 m。

3.2 頂板裂隙帶高位鉆孔抽采方案設(shè)計(jì)

高位鉆場(chǎng)的作用主要是為高位鉆孔施工提供作業(yè)空間和滿足高位鉆孔的施工層位條件，同時(shí)作為后期頂板裂隙帶瓦斯集中抽采的作業(yè)場(chǎng)所。31051 回風(fēng)順槽共設(shè)計(jì)8 個(gè)高位鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距為60 m，鉆場(chǎng)位置為回風(fēng)順槽北幫（工作面?zhèn)龋?，鉆場(chǎng)開口即按+15°施工，斷面寬×高=3 m×3 m，施工至鉆場(chǎng)底板距離煤層頂板2 m 位置時(shí)施工坡度變更為0°，開始施工鉆場(chǎng)平臺(tái)，平臺(tái)深度5 m，寬度4.5 m，高度3.2 m。

（1）高位鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

高位鉆孔施工位置為各個(gè)高位鉆場(chǎng)內(nèi)，開孔位置均為鉆場(chǎng)平臺(tái)東幫（對(duì)應(yīng)回采工作面方向），每個(gè)高位鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)7 個(gè)鉆孔，開孔位置間距均為0.8 m。鉆孔設(shè)計(jì)深度按垂直投影均為100 m，終孔間距按水平投影均為4 m，7 個(gè)鉆孔按施工方位呈扇形布置，靠近回風(fēng)順槽側(cè)的1 號(hào)鉆孔終孔距離回風(fēng)順槽的水平投影距離設(shè)計(jì)為8 m（防止回風(fēng)順槽裂隙漏風(fēng)）。根據(jù)王莊煤礦煤層厚度、上覆巖層性質(zhì)計(jì)算垮落帶高度為10.5 m，裂隙帶高度為14.5 m，鉆孔終孔位置均布置在預(yù)計(jì)回采垮落后的頂板裂隙帶內(nèi)。鉆孔傾角按照工作面走向傾角需進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，下表中鉆孔傾角為工作面走向傾角按0°計(jì)算時(shí)的設(shè)計(jì)。鉆孔設(shè)計(jì)具體參數(shù)見表1，鉆孔平面布置見圖2，鉆孔剖面及開啟控制見圖3。

圖2 高位鉆孔設(shè)計(jì)平面布置

表1 31051 工作面裂隙帶高位鉆孔施工參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)31051 工作面初采頂板垮落經(jīng)驗(yàn)，初采期間頂板垮落步距為15 m，頂板裂隙帶內(nèi)的高位鉆孔只有在頂板垮落后才會(huì)發(fā)揮作用，故在距離初采工作面最近的8 號(hào)高位鉆場(chǎng)內(nèi)施工頂板裂隙帶高位鉆孔時(shí)，將8 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)的所有高位鉆孔按設(shè)計(jì)孔深減少30 m，同時(shí)傾角增大5°（見圖3），可保證高效抽采的同時(shí)又避免了鉆孔工程量的浪費(fèi)。

（2）頂板裂隙帶高位鉆孔抽采方案

高位鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔全部施工完畢后，采用Φ75 mm 的抽采軟管將各個(gè)鉆孔分別連接至鉆場(chǎng)口處的集流器上，并在集流器上進(jìn)行對(duì)應(yīng)編號(hào)管理，抽采軟管連接完畢后可將高位鉆場(chǎng)在鉆場(chǎng)口密閉。工作面開始回采后，初采至直接頂大面積垮落后，開啟8 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)的所有高位鉆孔進(jìn)行頂板裂隙帶瓦斯抽采，回采25 m 后，開啟7 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)的所有鉆孔，同時(shí)關(guān)閉8 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)所有鉆孔，回采85 m 后開啟6 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)所有鉆孔，同時(shí)關(guān)閉7 號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)的所有鉆孔，依次向外循環(huán)開啟、關(guān)閉，循環(huán)間距60 m，保證對(duì)頂板裂隙帶瓦斯實(shí)現(xiàn)連續(xù)抽采。鉆場(chǎng)內(nèi)鉆孔開啟、關(guān)閉控制方案見圖3。

圖3 高位鉆孔剖面及鉆孔開啟控制

3.3 工作面回風(fēng)隅角埋管抽采方案

工作面回采期間，因回風(fēng)隅角頂板受煤體支撐未及時(shí)垮落形成空區(qū)，工作面上行通風(fēng)易在該空區(qū)聚積瓦斯，為避免該空區(qū)瓦斯大量聚積并溢出造成瓦斯超限，回采期間需及時(shí)采取垛煤袋法將回風(fēng)隅角空區(qū)隔離，并埋管抽采回風(fēng)隅角瓦斯，埋管及抽采方案如下：

（1）回風(fēng)隅角埋管方案：從回風(fēng)順槽瓦斯抽采管上接出的4 根瓦斯抽采軟管末端距離工作面回風(fēng)隅角分別為5 m、7.5 m、10 m、12.5 m，采用迎頭1 根接通上隅角所埋管路，回風(fēng)隅角埋管管路采用Φ150 mm 的鋼管，鋼管長(zhǎng)度2.5 m，每3 根鋼管接一根特制鋼管，特制鋼管中部加工有一根豎管，豎管為打孔花管，豎管高度掉入煤或矸石堵塞豎管，埋管靠巷幫底板放置，豎管采用鐵絲固定至巷幫。

（2）抽采方案：工作面回采期間，及時(shí)將回風(fēng)隅角空區(qū)采用垛煤袋方式隔離，并開啟接通埋管的抽采軟管（距上隅角5 m 處管路），其余三根抽采軟管關(guān)閉備用。工作面每回采2.5 m，將埋管向外延接，并將埋管接口接至距回風(fēng)隅角7.5 m 處管路，并將原5 m 處抽采軟管向外撤，依次向外循環(huán)，直至埋管接口接至距回風(fēng)隅角12.5 m 處抽采軟管后，將回風(fēng)順槽瓦斯抽采管向外拆除10 m，實(shí)現(xiàn)所有軟管外移，如此向外循環(huán)實(shí)施埋管抽采。

表2 31051 工作面7日瓦斯涌出量檢測(cè)及計(jì)算結(jié)果

3 工作面瓦斯抽采量統(tǒng)計(jì)

經(jīng)頂板裂隙帶高位鉆孔及回風(fēng)隅角埋管聯(lián)合抽采，31051 工作面未發(fā)生回風(fēng)隅角瓦斯超限現(xiàn)象，風(fēng)排瓦斯量符合要求，實(shí)現(xiàn)了工作面正常生產(chǎn)。作者統(tǒng)計(jì)了生產(chǎn)期間7日產(chǎn)量、頂板裂隙帶高位鉆孔瓦斯抽采量、回風(fēng)隅角埋管瓦斯抽采量，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)相對(duì)瓦斯涌出量、絕對(duì)瓦斯涌出量、風(fēng)排瓦斯量進(jìn)行了計(jì)算。統(tǒng)計(jì)及計(jì)算結(jié)果見表2。

從表2可以看出，采用瓦斯綜合治理措施后，在平均日產(chǎn)量7 990.9 t 情況下，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量平均值為9.1 m3/min，通過頂板裂隙帶高位鉆孔抽采出瓦斯純量平均值為4.37 m3/min，通過回風(fēng)隅角埋管抽采出瓦斯純量平均值為2.45 m3/min，風(fēng)排瓦斯量平均值為3.58 m3/min，風(fēng)排瓦斯量有效降至5 m3/min 以下。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)王莊煤礦31051 工作面采取頂板裂隙帶高位鉆孔抽采及上隅角埋管抽采的瓦斯綜合治理方式，有效解決31051 工作面因絕對(duì)瓦斯涌出量較高導(dǎo)致的回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛瘸藜帮L(fēng)排瓦斯量超過相關(guān)規(guī)定的問題，將風(fēng)排瓦斯量有效降至5 m3/min 以下，未發(fā)生過回風(fēng)隅角瓦斯超限事故，實(shí)現(xiàn)了瓦斯有效治理，保障工作面安全生產(chǎn)。