煤層群開采工作面瓦斯綜合治理技術(shù)研究

高 云

（山西潞安化工集團(tuán)工程公司礦建分公司，山西 屯留 046100）

0 引言

煤層群開采時(shí)受到煤層賦存條件復(fù)雜、煤層層間距小、瓦斯含量高等多因素影響，采用單一的瓦斯治理方式滿意滿足煤炭安全回采需要[1-3]。煤層群開采工作面在回采時(shí)，鄰近煤層在開采卸壓影響下，采動(dòng)裂隙發(fā)育，瓦斯涌出量顯著增加，采面煤炭回采期間往往伴隨有鄰近瓦斯涌出量、采空區(qū)瓦斯涌出量大等問題[4-6]。山西某礦開采煤層瓦斯含量高、煤層層間距小，采面煤炭回采期間存在有回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷瓦斯超限，鄰近煤層及采空區(qū)瓦斯涌出量大等問題，采面瓦斯?jié)舛雀唢@著制約煤炭開采。為此，文中以山西某礦30702（全文簡(jiǎn)稱30702）綜采工作面回采為工程背景，結(jié)合采面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況針對(duì)性提出采面瓦斯綜合治理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了近距離煤層群條件下采煤工作面瓦斯的高效治理。

1 工程概況

山西某礦設(shè)計(jì)產(chǎn)能為180 萬(wàn)t/a，井田內(nèi)可采煤層包括有2 號(hào)、7 號(hào)、9 號(hào)、11 號(hào)、12 號(hào)等煤層，其中經(jīng)過鑒定2 號(hào)、9 號(hào)、11 號(hào)具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，具體各煤層層間距及厚度情況見表1 所示。

表1 煤層及瓦斯參數(shù)

30702 綜采工作面為南翼3 采區(qū)首采工作面，采面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為1 280 m、傾向長(zhǎng)度為125 m，采面開采范圍內(nèi)水位地質(zhì)條件簡(jiǎn)單、地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。結(jié)合鄰近采區(qū)7 號(hào)煤層工作面回采期間瓦斯涌出情況以及本采面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況預(yù)計(jì)30702 綜采工作面回采期間本煤層瓦斯涌出量、鄰近層瓦斯涌出量、采空區(qū)瓦斯涌出量分別可達(dá)到5.02 m3/min、14.98 m3/min、7.37 m3/min，采面回采期間鄰近層及采空區(qū)瓦斯涌出量較大。采面現(xiàn)采用的瓦斯治理手段包括有本瓦斯抽采、高位鉆孔、采空區(qū)內(nèi)埋管等，采面回采期間回風(fēng)隅角以及回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛绕?，存在有瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)，分析主要是由于鄰近層瓦斯涌出量過大、高位鉆孔層位布置不合理、鉆孔封孔質(zhì)量差以及未在鄰近層布置瓦斯抽采鉆孔等引起。文中就結(jié)合30702 綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，針對(duì)性提出瓦斯綜合治理技術(shù)措施，以便提高采面瓦斯治理能力。

2 采面瓦斯綜合治理技術(shù)

2.1 本煤層順層瓦斯鉆孔

30702 綜采工作面傾向長(zhǎng)度為125 m，為避免出現(xiàn)瓦斯抽采空白帶并避免長(zhǎng)距離鉆進(jìn)時(shí)鉆孔軌跡偏差過大等問題，在采面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷均布置瓦斯抽出采鉆孔，鉆孔孔深均為70 m，鉆孔搭接產(chǎn)長(zhǎng)度為15 m；鉆孔全程下篩管，避免塌孔導(dǎo)致抽采效果不佳問題，鉆孔封孔深度均為15 m，采用兩堵一注封孔方式，瓦斯抽采負(fù)壓控制在13～15 kPa，具體鉆孔布置見圖1 所示。采面內(nèi)本煤層瓦斯鉆孔接抽時(shí)間均在5 個(gè)月以上。

圖1 本煤層瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

2.2 高位鉆孔

在30702 回風(fēng)巷布置高位瓦斯抽采鉆場(chǎng)，并向頂板施工大直徑瓦斯抽采鉆孔，以便實(shí)現(xiàn)采空區(qū)頂板裂隙高濃度瓦斯抽采[7-9]。由于30702 綜采工作面回采的7 號(hào)煤層上覆30 m 范圍內(nèi)存在有不多層不可采煤層，采面回采后頂板裂隙帶發(fā)育高度下限約為15 m，為實(shí)現(xiàn)上覆裂隙瓦斯高效抽采，布置的高位鉆孔從垮落帶到裂隙帶中上部，具體位于煤層頂板10 m、15 m及30 m 位置。

在回風(fēng)巷按照50 m 間距布置一個(gè)鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)布置3 組鉆孔，單組包括3 個(gè)瓦斯抽采鉆孔，具體布置如圖2 所示，組內(nèi)鉆孔間距為4 m，組間鉆孔間距為10 m，水平方向上可控制距回風(fēng)巷60 m 范圍；組內(nèi)鉆孔終孔層位分別距離3 號(hào)煤層10 m、15 m 及30 m。高位鉆孔孔徑統(tǒng)一為120 mm，封孔深度均為12 m，抽采負(fù)壓控制在8～11 MPa。

圖2 高位鉆孔布置示意圖（單位：m）

2.3 回風(fēng)隅角瓦斯抽采

采空區(qū)瓦斯在通風(fēng)作用下容易從回風(fēng)隅角位置涌出，為此在采面回風(fēng)隅角位置間隔15 m 砌筑一道袋子墻，從而較少采空區(qū)漏風(fēng)量。在采面回風(fēng)隅角采空區(qū)內(nèi)布置2 趟Φ280 mmPE 管，并在回風(fēng)巷鋪設(shè)的抽采管上間隔18 m 布置一個(gè)三通、閥組，便于接入抽采篩管以及控制抽采；當(dāng)篩管頭部埋入到采空區(qū)后方5 m 后開始開啟抽采同時(shí)上一抽采管停抽；通過循環(huán)開啟及關(guān)閉回風(fēng)隅角位置埋管，以便實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)5～30 m 范圍內(nèi)瓦斯抽采，減少回風(fēng)隅角瓦斯涌出量。瓦斯抽采負(fù)壓控制在5～8 MPa，具體布置見圖3 所示。

圖3 采空區(qū)埋管抽采示意圖（單位：m）

2.4 鄰近層瓦斯抽采

為減少30702 采煤工作面回采期間上覆2 號(hào)煤層及下覆9 號(hào)、11 號(hào)及12 號(hào)煤層卸壓瓦斯涌出量，依據(jù)30702 采煤工作面布置位置，提前在2 號(hào)煤層下覆15 m 的砂巖層中、12 號(hào)煤層下覆20 m 的砂質(zhì)泥巖層布置底板瓦斯抽采巷，并通過底抽巷內(nèi)的穿層鉆孔實(shí)現(xiàn)2 號(hào)、9 號(hào)、11 號(hào)及12 號(hào)煤層，穿層鉆孔終孔間距控制在15～18 m，抽采負(fù)壓控制在13～18 kPa，封孔長(zhǎng)度均為15 m，封孔材料為微膨脹水泥。具體鉆孔布置見圖4 所示。通過底抽巷內(nèi)穿層鉆孔瓦斯抽采，可有效減少30702 采煤工作面回采期間鄰近層卸壓瓦斯向回采空間外溢量。

圖4 鄰近層瓦斯抽采布置示意圖（單位：m）

3 瓦斯治理效果分析

在30702 采煤工作面回采期間，通過本煤層鉆孔、高位裂隙鉆孔、采空區(qū)埋管抽采以及鄰近層底板瓦斯抽采等方式進(jìn)行瓦斯治理，對(duì)上述各種瓦斯抽采鉆孔瓦斯抽采情況進(jìn)行時(shí)間監(jiān)測(cè)，具體分別為3.6 m3/min、3.2 m3/min、4.6 m3/min、8.9 m3/min，瓦斯抽采量占采面瓦斯涌出總量的74.5%；同時(shí)通過30702 采煤工作面回采后，上覆2 號(hào)煤層、下覆9 號(hào)、11 號(hào)及12 號(hào)煤層瓦斯壓力均降至0.74 MPa 以下，保護(hù)范圍內(nèi)基本消除的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。

監(jiān)測(cè)采面回采期間回風(fēng)巷、回風(fēng)隅角位置瓦斯?jié)舛龋l(fā)現(xiàn)在開采期間回風(fēng)巷瓦斯體積分?jǐn)?shù)始終在0.39%以內(nèi)，回風(fēng)隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)始終在0.46%以內(nèi)，采面其他位置瓦斯體積分?jǐn)?shù)也均較小且在安全范圍以內(nèi)，表明現(xiàn)場(chǎng)采用的瓦斯治理方式取得較好應(yīng)用效果，可有效解決采空區(qū)及鄰近層瓦斯涌出量大問題。

4 結(jié)論

30702 采煤工作面回采的7 號(hào)煤層上覆有不可采煤層及可采的2 號(hào)煤層，下覆有不可采煤層及可采的9 號(hào)、11 號(hào)及12 號(hào)等煤層，在采面回采期間鄰近層大量的卸壓瓦斯沿著采動(dòng)裂隙向回采空間涌出，導(dǎo)致采面瓦斯?jié)舛日w偏高，存在較大的瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)。為給30702 采煤工作面安全回采創(chuàng)造良好條件，提出綜合使用本煤層鉆孔、高位瓦斯抽采鉆孔、采空區(qū)埋管、鄰近層底板穿層鉆孔等方式對(duì)瓦斯涌出進(jìn)行治理，并通過改進(jìn)封孔方式、增大鉆孔孔徑、增加抽采負(fù)壓等方式提高瓦斯抽采效果。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，30702 采煤工作面回采期間瓦斯抽采量占采面瓦斯涌出總量的74.5%，同時(shí)在采面開采保護(hù)范圍內(nèi)鄰近的2 號(hào)、9 號(hào)、11 號(hào)及12 號(hào)均消除了煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性；采面回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別控制在0.39%、0.46%以內(nèi)，瓦斯治理效果較好。