凤凰山矿15＃煤层U型通风工作面高位钻场钻孔瓦斯抽放技术研究

2014-05-30周春山王俊峰迟克勇邬剑明武旭峰

中国煤炭 2014年4期

周春山王俊峰迟克勇邬剑明武旭峰

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024；2.山西煤炭职业技术学院，山西省太原市，030031；3.山西晋城蓝焰煤业股份有限公司凤凰山矿，山西省晋城市，048007）

凤凰山矿于1970年投产至今，3＃煤层已回采结束，9＃煤层储量接近枯竭，目前主采15＃煤层，生产能力400万t／a，属瓦斯矿井。由于15＃煤层地质条件相对复杂，巷道掘进速度慢，为最小程度地减少工作面巷道的掘进量，保证矿井生产的正常衔接，凤凰山矿在15＃煤层三水平南翼盘区首采面151304工作面采用一进一回的U型通风系统。通过对151304工作面长1080 m回风巷的瓦斯基础参数的现场测试，测得煤层瓦斯含量2.36 m3／t，属氮气—甲烷带。该工作面于2012年5月3日开始回采，开采初期上隅角、工作面及回风巷瓦斯浓度变化情况如图1所示。在工作面强制放顶和老顶来压时，各地点瓦斯均出现超限现象，需结合工作面开采实际情况，采取针对性瓦斯治理措施，保证矿井的安全生产。

图1 151304工作面开采初期瓦斯涌出变化曲线图

1 151304工作面概况

151304工作面为凤凰山矿15＃煤层三水平南翼盘区首采工作面，煤层平均厚2.07 m，属较稳定可采煤层，煤层倾角平均为3.5°，工作面老顶、直接顶为 K2石灰岩，厚8.99～9.22 m，平均厚度9.11 m，无伪顶。上覆9＃煤层为92304工作面（2002年回采完毕）、92306工作面（2007年回采完毕）、91324综采面（已回采）及151304切眼往外272 m 9＃煤层实体煤，9＃煤层与15＃煤层平均层间距为29.42 m。151304工作面存在2条6.0～7.0 m落差的逆断层，采用倾斜长壁一次采全高自然垮落后退式综合机械化采煤方法，一进一回的U型通风系统。

2 151304工作面瓦斯超限来源分析

根据151304工作面煤层赋存条件，由于其顶板为极坚硬的K2石灰岩不易冒落，在顶板冒落前与上覆煤岩层裂隙不发育，瓦斯涌出量基本保持不变，但当工作面采取强制放顶后，直接顶垮落，应力急剧变化，造成上覆9＃煤层中卸压瓦斯大量瞬时涌入回采工作面，导致工作面各地点瓦斯浓度急剧增加。

151304工作面回风巷瓦斯浓度在顶板冒落前为0.30%，而冒落后瓦斯浓度急剧上升至1.10%，此时工作面配风量约850 m3／min，该工作面冒落前风排瓦斯量约2.55 m3／min，冒落后风排瓦斯量约9.35 m3／min。增加的瓦斯涌出量主要来源于上邻近层9＃煤层的瓦斯涌出，可见上邻近层9＃煤层瓦斯涌出是造成151304工作面瓦斯超限的主要来源。

3 高位钻孔抽放瓦斯技术在151304工作面的应用

由于151304工作面上覆9＃煤层靠近断层附近，属高瓦斯富集区，原始瓦斯含量约12 m3／t，且煤层松软，本煤层瓦斯抽放困难，有272 m的实体煤未采动。随着15＃煤层的开采，改变了15＃煤层和上覆9＃煤层岩层的原始透气性和封闭状态，9＃煤层瓦斯会瞬时大量涌向15＃煤层工作面，因此，设计在采空区顶板裂隙区布置高位钻场钻孔组，直接对9＃煤层卸压瓦斯进行抽采和拦截，并改变15＃煤层采空区瓦斯流动状态，减弱采空区瓦斯涌出强度，从根本上解决瓦斯超限难题。

3.1 高位钻场施工

从151304回风巷距离开切眼120 m向煤柱侧施工长10 m、宽2.5 m和高2 m的下平巷，再平行于回风巷向工作面仰角30°爬坡施工长19.5 m、宽2.5 m和高2 m的斜巷，然后施工宽2.5 m、深5 m和高2.5 m的绞车硐，再垂直回风巷侧施工宽5 m、深4 m和高2 m的高位钻场，采用锚网联合支护。高位钻场布置见图2。

图2 高位钻场布置示意图

3.2 高位钻场钻孔布置参数

利用经验计算法，凤凰山矿151304工作面上覆坚硬岩层 “三带”中冒落带高度为7.65～12.67 m，裂隙带高度为37.26～55.06 m。根据采空区顶板岩层移动 “三带”理论和采空区内瓦斯运移规律，有效钻孔高度应位于冒落带顶端和裂隙带的中下部，其高度应距15＃煤层顶板12.67～37.26 m。因此设计在高位钻场呈扇形布置顶板高位钻孔24个，开孔高度距9＃煤层顶板12.50 m。具体设计参数见表1，151304工作面顶板高位钻孔布置见图3。

图3 151304工作面顶板高位钻孔布置图

表1 151304工作面顶板高位钻场钻孔参数

3.3 抽放管路布置

高位钻场钻孔施工完毕采用 “合成树脂＋膨胀封孔剂”及时封孔后进行联孔，与抽放主管路相连，并在钻孔开口处施工永久密闭。抽放主管路采用直径为355 mm PE管，沿151304工作面回风巷左帮布置，保证管路吊挂平直，离地高度约500 mm，管路中安设U型压差计、孔板流量计和高负压管道取样器，并在管路低洼处留有放水三通。

3.4 瓦斯抽放效果分析

根据工作面回采速度、老顶来压周期、采空区垮落情况（包括垮落的长度、宽度、高度）观测工作面瓦斯涌出随回采进度变化情况，见图4。由图4可知，采空区顶板垮落为9＃煤层瓦斯涌入151304工作面提供良好的通道，随着工作面的不断推进，顶板裂隙带逐渐发育，瓦斯涌出量逐渐增大，工作面各点瓦斯浓度也逐渐上升。当工作面推进至27.4 m后，随着采空区顶板大面积垮落，钻孔瓦斯抽放量、抽放浓度骤增，并随着瓦斯抽放和风流稀释作用，瓦斯浓度逐渐降低，并在下一次顶板垮落后再次增加。

现场测定数据表明，在采取顶板高位钻场钻孔抽放后，各孔抽放浓度达到40%～48%，抽放流量为0.7～1.7m3／min，上隅角、回风巷、工作面和采空区瓦斯最大浓度分别为0.43%、0.35%、0.28%和1.40%，抽放效果比较明显，有效减少了瓦斯超限事故的发生，说明钻孔设计比较合理，达到了预期的效果。