云盖山煤矿一矿综放工作面瓦斯综合治理技术研究

荣向东 刘三钧

（禹州枣园煤业有限公司，河南省禹州市，452570）

1 矿井及工作面概况

云盖山煤矿一矿于1994年开工建设，1997年试生产，主采二1煤层，现核定生产能力63万t／a。矿井采用中央分列抽出式通风，主、副斜井进风，回风立井回风。地质构造变化明显，断层较多，煤层厚度多变，是典型的鸡窝煤。矿井为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯赋存极不稳定，局部多次出现动力现象。

21110综采工作面位于矿井-23m 水平西翼，工作面走向长1440 m，平均煤厚4.3 m，属二软一硬煤层。该工作面采取走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板，U 型通风方式。

21110工作面存在3个较大的地质构造带，地质情况复杂，煤厚变化大。工作面瓦斯含量10m3／t左右，煤层硬度系数0.3左右，煤层软成粉末状，钻孔成孔率低，透气性差，瓦斯抽放衰减系数大，瓦斯抽放困难。在回风巷掘进期间因为瓦斯涌出量大，瓦斯含量经常超限，出现瓦斯治不住的难题。为此云盖山煤矿一矿研究了以本煤层顺层钻孔瓦斯抽放为主、上隅角瓦斯抽放为辅的瓦斯综合治理技术。

2 瓦斯抽放技术研究

2.1 顺层钻孔抽放技术

在21110工作面上下巷道沿煤层倾向相向施工平行钻孔，钻孔直径84mm，钻孔间距3m 左右，距底板1.2m，长度100m，上下钻孔压茬20m，平行钻孔设计如图1所示。在地质变化带根据实际情况调整钻孔参数，局部地带施工加密钻孔。钻孔施工完成后，采用水泥砂浆立即封孔，封孔长度15m，封孔结束8h后进行联网抽放。部分地区因为运输关系，不能整个巷道施工顺层平行钻孔，为了消除抽放空白带，利用钻场施工扇形钻孔进行瓦斯抽放。钻场间距40 m，每个钻场施工12 个钻孔，扇形钻孔设计如图2所示。钻孔倾角可以根据钻孔实际见煤情况进行调整，钻孔尽量布置在煤层内。两个钻场最外缘的钻孔交叉点距离巷帮不超过20m （考虑煤层巷道瓦斯自然排放宽度为20m），避免存在抽放空白带。平行钻孔加扇形钻孔是工作面区域瓦斯治理最基本的措施，覆盖整个工作面。

图1 平行钻孔设计示意图

图2 扇形钻孔设计示意图

2.2 卸压区浅孔抽放技术

在工作面前方依次存在卸压区、应力集中区、原始应力区，钻孔布置在卸压区比较容易进行瓦斯抽放。根据卸压区安全宽度理论，针对煤层透气性系数低、煤层预抽效果差、瓦斯制约生产能力的现状，在21110工作面进行了浅孔抽放瓦斯试验。钻孔沿工作面走向布置在软分层中，孔深16m，孔径89mm，孔间距3m。每轮瓦斯浅孔抽放措施进行后，预留10m超前距，即工作面允许推进6m。敷设工作面抽放系统与本煤层抽放系统并联，为钻孔涌出瓦斯提供一条专用通道，卸压区浅孔抽放如图3所示。

2.3 煤层注水瓦斯抽放

采取本煤层瓦斯抽放后，局部地带的瓦斯还是偏高，影响工作面的安全生产，因此采取了煤层注水措施。云盖山煤矿一矿针对煤层注水消突机理，一方面在上下巷瓦斯高的地带施工顺层钻孔，孔深100m，下20m 套管，注入10MPa高压水，直到其他地点有水流出或注不进去水为止，接着联网继续抽放瓦斯；另一方面在工作面施工浅孔，孔深16m，注入压力3 MPa的水，直到相邻钻孔有水流出为止，接着联网继续抽放瓦斯。

图3 卸压区浅孔抽放示意图

2.4 上隅角瓦斯抽放

在工作面采取顺层钻孔抽放瓦斯后，工作面上隅角瓦斯还是时有超限发生。在工作面上下隅角设置了风障，但效果不理想，因此采取了顶板高位钻孔抽放瓦斯及插管抽放瓦斯双重措施。

2.4.1 顶板高位钻孔抽放瓦斯

顶板高位钻孔瓦斯抽放又称顶板裂隙带瓦斯抽放，在回风巷向煤层顶板施工钻孔，主要作用是以工作面回采采动压力形成的顶板裂隙作为通道来抽放工作面上覆岩层及上隅角涌出的瓦斯，并且减小上邻近层瓦斯涌向工作面的可能性，同时对采空区下部的瓦斯起到拉动作用，改变采空区瓦斯流向分布，从根本上解决由于采空区瓦斯大量涌出造成的工作面上隅角及回风流瓦斯超限的问题，从而保证采煤工作面安全作业，提高采面生产能力。

图4 三区三带划分示意图

在工作面回采过程中，其周围将形成一个采动压力场。采动压力场及其影响范围在垂直方向上形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带；在水平方向上形成煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区，三区三带划分如图4所示。

为了提高瓦斯抽放率，在考虑减少顶板岩石高位钻场的掘进工程量的条件下，高位钻孔应尽可能多地设计在顶板裂隙带内和瓦斯富集区内，冒落带、裂隙带高度预测经验公式如下：

式中：M——工作面采厚，m；

Hm——冒落带高度，m；

H1——裂隙带高度，m。

煤厚取4.5m，带入式 （1）和式 （2）得冒落带高度12～17m，裂隙带高度36～47m。对工作面冒落带高度及裂隙带高度进行现场考察，根据抽放过程中的始抽段、高体积分数段和衰减段，结合现场打钻的实际情况，确定钻孔终孔距离煤层顶板30m 左右。

钻场间距取工作面顶板周期来压步距的整数倍，即：

式中：n——整数；

h——岩层%厚度，取平均厚度14m；

Rt——岩层的极限抗拉强度，取148 MPa；

q——岩梁所受的载荷，取107.7 MPa。

结合式 （3），取n为4的情况，可得钻场间距为40m。

根据顶板裂隙带高度及垮落步距的计算结果，在21110工作面东回风口向东60m 处为1号钻场，向东每40m 施工一个钻场。每个钻场布置5个抽放钻孔，抽放钻孔要求控制巷道外帮20 m，钻孔终孔距离煤层顶板30m，钻孔长度超过前面钻场40m，即40m 的压茬，做到循环抽放，高位钻孔平面设计如图5所示。

2.4.2 插管抽放瓦斯

在工作面支架后部从回风巷上帮沿工作面向下设置一风障，将抽放管伸入上隅角切顶线以里2m处，管口对准高瓦斯点，抽放管并入抽放管路进行瓦斯抽放。为了提高抽放效果，在抽放管吸气端加一扩散器，用快速接头连接抽放管。为防止在瓦斯抽放过程中发生管路堵塞现象，用沙网把扩散器包好。尽量把瓦斯抽放管吸入口的扩散器靠近上隅角未冒落空间的顶部及上帮煤壁 （瓦斯浓度较高的地点），并在切顶线处堆积煤袋，以提高瓦斯抽放浓度并减少上隅角瓦斯积聚的空间。

图5 高位钻孔平面设计示意图

2.5 瓦斯抽放技术注意事项

（1）在进行瓦斯抽放设计或施工时，要消除瓦斯抽放空白带，并随着施工钻孔探明的煤岩情况，适当调整钻孔参数。

（2）进行工作面浅孔抽放时，钻孔一定要布置在卸压区安全宽度范围内。

（3）高位钻孔尽可能多地设计在顶板裂隙带和瓦斯富集区内，尽量抬高开孔位置。

3 瓦斯治理效果分析

21110工作面经过实施顺层钻孔抽放、卸压区浅孔抽放、煤层注水抽放等本煤层瓦斯抽放措施以及顶板高位钻孔抽放、插管抽放等上隅角瓦斯抽放措施后，工作面瓦斯压力在0.2 MPa左右，瓦斯含量在5m3／t以下，回风流瓦斯浓度基本保持在0.3%以下，上隅角瓦斯浓度维持在0.2% ～0.4%，抽放措施实施后至今 未发生过瓦斯超限事故，预测值与效检值未曾超标。通过瓦斯抽放，减轻了风排瓦斯的压力，实现了高产高效，创造了良好的经济效益和社会效益。

［1］ 俞启香.矿井瓦斯防治 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1992

［2］ 刘三钧.三软不稳定低透气性煤层采空区瓦斯综合治理技术研究 ［J］.中国煤炭，2010 （2）

［3］ 赵旭生.定向长钻孔综合抽放瓦斯方法 ［J］.煤炭科学技术，2001 （3）

［4］ 蒋承林.煤层注水的防突机理分析 ［J］.湘潭工学院学报，1999 （3）

［5］ 张永 .高位钻孔抽放瓦斯技术 ［J］ .煤矿安全，2002 （3）

［6］ 童云飞.开采煤层顶板走向钻孔抽放瓦斯技术 ［J］.煤矿安全，2002 （3）

［7］ 张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术 ［M］.北京：煤炭工业出版社，2001