煤层群开采工作面瓦斯分源治理技术应用实践

郭 坦

(西山煤电集团公司 技术中心，山西 太原 030053)

1 工作面基本情况

某矿S5719 工作面位于该矿南五采区西北部，工作面可采走向长733 m，工作面宽189 m，面积138 537 m2. 工作面四周煤层未被采动，西北部与南二采区相邻且以F49 断层为边界，东北部与南五采区邻近;东南部煤层未被开采，西南部与采区煤柱相邻。该工作面地质构造较为复杂，共发育断层11 条，其中落差＞3.0 m 的6 条，煤层工业牌号为不粘煤，自燃发火期为1 ～3 个月。煤层赋存不稳定，工作面南侧由于沉积环境不稳定，从掘进实践情况看，该工作面火成岩侵入较为复杂，煤层受岩浆岩侵入影响较大，煤层变质严重，而南五采区浅部南翼712 综采面最大瓦斯涌出高达120 m3/min. 该工作面煤层赋存较为复杂，加之有火成岩侵入，因此，在回采过程中要严格按层位施工，预计S5719 工作面回采期间最大瓦斯涌出量70.35 m3/min.

2 瓦斯涌出来源分析

采动裂隙场中瓦斯的来源与含瓦斯煤岩赋存状况及开采技术条件有关，主要来自开采层和邻近层(含围岩)，具体由以下4 个方面组成，见图1.

1)开采层煤壁瓦斯涌出。2)采放落煤的瓦斯涌出。3)采空区遗留煤炭中瓦斯的涌出。4)相邻煤岩层中瓦斯的涌出。

图1 工作面瓦斯来源构成图

3 分源瓦斯治理技术应用

根据瓦斯来源的不同，可采用不同的方法治理瓦斯，如高抽巷瓦斯抽采技术、回风巷钻采斜交钻孔瓦斯抽采技术、顺层钻孔瓦斯抽采技术、埋管瓦斯抽采技术、地面立孔瓦斯抽采技术、上隅角明管瓦斯抽采技术等，抽采过程中多种技术措施共存互补，合理调节，发挥各自作用。

3.1 工作面顺层钻孔脉动压裂增透

该煤层瓦斯治理主要是在两巷回采期间进行该层钻孔的预抽工作，主要可以降低煤层中的瓦斯含量，同时也可以降低煤壁涌出的瓦斯量。若出现煤层瓦斯含量大，煤层透气性较低的情况，瓦斯预抽效果不理想，可应用脉动压裂增加煤的透气性，提高瓦斯抽采效率，最大限度地减少开采期间卸压瓦斯向采场的涌出。

脉动水力压裂钻孔布置在S5719 运输巷，经过一个月的现场施工，掌握了不同条件下的长距离钻孔封孔方式，形成了一套相对比较成熟的长距离钻孔封孔工艺。工艺大致分为排渣、排管、封口、注浆4 个步骤。

根据现场实际情况，完成8 个钻孔的完整封孔。8 个钻孔中，5 个钻孔作为脉动压裂孔，3 个钻孔作为抽放孔。通过抽采效果比较分析可以得出，使用脉动压裂技术的钻孔，瓦斯抽采纯流量比没使用脉动压裂技术的钻孔高出1 ～2 倍。

3.2 高位钻孔邻近层卸压瓦斯抽采

若工作面采用高位钻孔法进行瓦斯抽采，具体方法为:在回风巷内通过施工大倾角钻孔向顶板煤岩层进行打钻，高位钻孔布置在裂隙带与离层裂隙的交叉区，这些交叉区是现场工作中所谓的横三区、竖三区的重合区(即瓦斯富集区域)，将终孔位置布置在这个交叉区附近进行瓦斯抽放，取得了良好的效果。

抽采瓦斯不但对邻近层瓦斯流通起到有效的拦截作用，对本煤层上隅角瓦斯治理也有控制的效果。在回风巷靠近回采工作面一侧，每隔60 m 布置一个钻场，在钻场内沿顶板向采空区方向打高位钻孔，每个钻场布置6 个钻孔，孔径113 mm，每个钻孔间距0.8 m. 钻孔终孔布置在3#煤层充分卸压范围内穿透煤层0.5 m 处，终孔间距32 m. 高位钻孔布置示意图见图2，具体参数见表1.

图2 高位钻孔布置示意图

值得强调的是，工作面上覆煤岩层中瓦斯源(瓦斯富集区域)并不是固定不变的，随着工作面的不断推进，其上覆“三带”结构也在不断变化，此时通过高位钻孔抽采的瓦斯浓度表现为稳定上升并逐渐衰减的过程。

表1 高位钻孔参数表

3.3 插管法抽采采空区瓦斯

一般情况下，工作面(采区、矿井)采完后并封闭完成的区域被称为采空区，该区域虽然隔绝于整个矿井通风网络，但在实际生产过程中，采空区中大量积存的高浓度瓦斯可能会通过巷道密闭或隔离煤柱的裂隙往外泄出，这就增加了矿井的通风负担与不安全因素。利用插管法抽采瓦斯即在回风巷道内每隔一定距离在工作面上隅角位置将管路及时插入采空区，利用抽采的负压将上隅角未被风流吹走积聚的瓦斯进行提前抽出。为了防止抽采管路的缝隙被煤泥堵住，插管过程中必须保证将管插入采空区，且距离巷道底板一定的高度。插管法瓦斯抽放的效果与其布置管路的方式有直接关系，且抽采浓度多变，必须严格管理。

3.4 上隅角抽采、挂设风障

工作面现在的通风方式为“U”型通风，由于采空区与工作面的风流汇集在上隅角这个位置，考虑到工作面进、回风巷道存在压差，使得上隅角成为瓦斯涌入的必经之路，最终成为瓦斯积聚区域。除此之外，结合瓦斯密度较空气密度小的特点，采空区内积存的瓦斯在“瓦斯风压”的作用下逐渐自然上升，大量的瓦斯向上隅角飘去而不能有效处理，最终使得工作面上隅角成为瓦斯积聚区域。

工作面正常生产过程中多采用风障进行维护(风障一般是由帆布构成)，一般悬挂于工作面末端，通过引导风流来稀释上隅角的瓦斯，该方法施工方便，现阶段在普采、炮采中应用较广，风障法处理上隅角瓦斯原理示意图见图3.

存在的不足:风障的安装位置可能会影响输送机与切割电机滚筒的正常工作，降低采煤效率。除此之外，悬挂风障后，巷道空间变小，遮挡人员视线，影响工作人员的正常检修。

图3 风障法处理上隅角瓦斯原理示意图

对上隅角瓦斯的治理还可以通过在上隅角铺设风筒的方法来完成。具体操作方法为:将风筒引到巷口，利用风机等动力设备使得风筒两端产生压差，从而不间断地对上隅角瓦斯进行抽放，抽放瓦斯的效果较好，但也存在一定的缺点，如:风筒安设路线过长，风筒易于破损，从而造成漏风的现象。

3.5 内错高位瓦斯抽采巷抽采

在开采煤层顶板裂隙带内，水平方向与回风巷内错20 ～30 m 的距离布置高位瓦斯抽采巷，见图4.

图4 顶板走向高抽巷抽采瓦斯原理示意图

高位瓦斯抽采巷开口于回风巷侧，长360 m，高于工作面煤层底板32 ～15 m，完工后用砂带、木段等材料将其封闭，砂带、木段壁上预留两趟直径300 mm的过堂管，过堂管分别与回风巷600 mm、300 mm 抽放管路对接，形成瓦斯高低浓度分离抽采方式。

3.6 地面压裂井排采

地面压裂井排采即通过地面向煤层施工垂直钻孔，抽采各煤层赋存瓦斯，在该矿的瓦斯抽采实践中得到了良好的效果，现仅在南翼采区就施工了压裂井20 口，南五采区生产井有2 口，包括DT19、DT20，截止到2011 年12 月，两口井共产气165 540 m3，南五采区煤层气井产气量表见表2.

表2 南五采区煤层气井产气量表

4 瓦斯抽采效果评价

实施瓦斯分源治理技术后，S5719 工作面开采过程中未发生过一起瓦斯超限事故，保证了该工作面的安全回采，同时根据国家安全生产监督管理总局2006 -11 -02 颁布的中华人民共和国安全生产行业标准(AQ1026 -2006)《煤矿瓦斯抽采基本指标》的规定，回采工作面瓦斯抽采率应满足抽采指标见表3.

表3 回采工作面瓦斯抽采率应满足抽采指标表

根据S5719 工作面抽采统计数据显示，工作面瓦斯涌出量为60. 35 m3/min，其中风排瓦斯量为20.13 m3/min 左右，抽采系统抽采量为40.22 m3/min左右。工作面瓦斯抽采率指回采面瓦斯抽采量占回采面瓦斯总涌出量的百分比，计算公式:

式中:

qmc—工作面瓦斯抽采量，m3/min;

qmf—工作面风排瓦斯量，m3/min.

经计算，S5719 工作面瓦斯抽采率为66.6%，说明该工作面瓦斯抽采率达标，瓦斯治理效果良好。

5 结 论

1)采用工作面顺层钻孔脉动压裂增透、打高位钻孔对邻近层瓦斯进行提前卸压、打顶板钻孔、采空区埋管法抽放瓦斯、上隅角抽采、挂设风障、内错高位瓦斯抽采巷抽采、地面压裂井排采等分源瓦斯治理方法，在解决工作面瓦斯超限的问题上取得了较为突出的效果，特别是对多煤层开采矿井。

2)对于透气性较差的煤层，可以采用脉动压力等增透措施，增加钻孔瓦斯抽采浓度及流量。

3)上隅角瓦斯超限是U 型通风系统需要治理的一个问题，采用风障导风和风筒抽排上隅角瓦斯可以有效解决这一问题，在实践中要加强风障和风筒的管理，及时调整其合理位置。

［1］ 马维绪.矿井通风与安全技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2007:36 -38.

［2］ 谭云亮.矿山压力与岩层控制［M］.北京:煤炭工业出版社，2008:87 -89.

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