高瓦斯综采工作面瓦斯综合抽采设计应用

温红斌

（潞安集团慈林山煤业有限公司夏店煤矿，山西 长治 046000）

受煤炭赋存条件限制，我国煤炭产量的90%依靠井工开采，平均开采深度近500m，而且平均开采深度还以每年10m～30m增加。矿井瓦斯是煤矿安全第一杀手，瓦斯（煤尘）爆炸、煤与瓦斯突出等瓦斯灾害严重制约煤矿的安全高效开采。据2012年煤矿瓦斯等级鉴定结果，我国高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井达3184处。近年来，我国煤矿安全生产形势显著好转，瓦斯灾害事故起数及死亡人数逐年下降，但其占煤矿事故的比例基本没变，瓦斯灾害事故起数所占比例在10%左右，死亡人数所占比例在25%左右，最大达32.6%，瓦斯灾害事故仍是较大以上煤矿事故的主要类型。因此，本文以常村煤矿3412工作面为工程背景，研究合理的瓦斯抽采设计，提高瓦斯抽采效率对常村煤矿的安全生产具有重要意义。

1 工作面工程概况

常村煤矿3412工作面位于三采区东翼，走向长度1387m，倾向长度169m，埋深465～378m。工作面开采山西组4#煤层，煤厚为1.58m，与4#上煤层合并时煤厚3.5m。煤层含有夹矸1层，厚度0.1～0.5m，煤层倾角为5°～8°。分叉前，煤层老顶为10.2m厚中粒砂岩，直接顶为1.2m厚灰黑色及深灰色砂质泥岩，直接底为1.05m厚浅灰中粒砂岩，老底为1.8厚浅灰黑色砂质泥岩，工作面绝对涌出量为13.2m3/min，相对涌出量为4.5m3/t，工作面瓦斯原始含量为6.8m3/t，原始瓦斯压力为0.41MPa。根据山西省煤炭工业厅鉴定常村煤矿2017年度全矿井瓦斯绝对涌出量为74.81m3/min，相对瓦斯涌出量为13.76m3/t。常村煤矿为高瓦斯矿井。

2 工作面瓦斯综合抽采设计

常村煤矿4#煤层钻孔流量衰减系数为0.028～0.058d-1，煤层透气性系数为0.0567～0.3895m2/MPa2·d，属于可以抽采煤层。根据3412工作面煤层赋存条件、瓦斯来源分析及瓦斯抽采应当坚持“应抽尽抽、多措并举、抽掘采平衡”的原则。掘进期间分别在材、运两巷施工本煤层钻孔，回采期间，除了利用本煤层瓦斯抽采方法预抽外还采用邻近层和采空区瓦斯抽采相结合的办法对工作面瓦斯进行综合治理。

2.1 工作面掘进前瓦斯抽采预抽

为降低3412运巷条带及4#煤层瓦斯含量，确保正常掘进，在3412运巷掘进前，在三采区4#皮带巷钻场及3410运巷钻场采用长距离顺层钻孔方法进行区域预抽。

1）三采4#皮带巷钻场预抽3412运巷设计。在三采4#皮带巷左帮开口处施工1#钻场，钻场内布置5个预抽钻孔，对3412运巷正前300m及两帮各20m范围内未采掘区域进行充分预抽。在钻场内采用澳钻施工钻孔，钻孔倾角沿煤层走向布置，孔深为300m。

2）3410运巷钻场预抽钻孔设计。3410运巷掘进期间在巷道右帮施工钻场使用澳钻施工长距离钻孔对巷道右帮深部区域（3412工作面实体煤）进行预抽。钻场从距离3410运巷口起145m处开始施工第一个钻场，1#～5# 钻场间距 100m，6#～11# 钻场间距150m。钻场内每个钻孔终孔间距保持在15m左右，钻孔终孔覆盖3412工作面。1#～5#钻场规格：深×宽×高=5m×5m×2.5m。6#～11#钻场规格：深×宽×高=5m×8m×2.5m，钻场依次编号。所有预抽钻孔均匀分布，覆盖整个3412工作面，钻孔无空白带。同时常村矿现开采3#、4#煤层，3#煤层作为4#煤层的卸压保护层，在3#煤层回采时，4#被保护煤层中的瓦斯会涌向上部回采工作面，最大限度的对4#煤层的瓦斯含量、压力进行卸压。

2.2 工作面掘进期间瓦斯抽采方案

1）3412材巷本煤层钻孔设计。在3412材巷右帮铺设一趟Ф300mm的瓦斯抽采管路，在距巷道口80m处开始施工钻孔，钻孔随着工作面的向前掘进逐步施工。依次往里布置，钻孔编号从距巷道口第一个钻孔开始为1#孔，钻孔间距6.3m，钻孔孔深设计为90m，钻孔设计方位为211°，与巷道垂直，钻孔设计倾角与煤层倾角相同为-4°～-6°，平均倾角为-5°，共计约207个钻孔，钻孔施工总进尺18630m。

2）3412运巷本煤层钻孔设计。在3412运巷左帮铺设一趟Ф300mm的瓦斯抽采管路，在距巷道口85m处开始施工钻孔，钻孔随着工作面的向前掘进逐步施工。依次往里布置，钻孔编号从距巷道口第一个钻孔开始为1#孔，钻孔间距6.3m，钻孔孔深设计为120m，钻孔设计方位为31°，与巷道垂直，钻孔设计倾角与煤层倾角相同为+4°—+6°，平均倾角为+5°，共计约207个钻孔，钻孔施工总进尺24840m。

2.3 工作面回采期间瓦斯抽采方案

1）初采前低位裂隙带钻孔设计在施工巷道左帮的5个钻场内利用ZDY-6000LD施工裂隙带钻孔对采空区瓦斯进行瓦斯抽采，以降低工作面回风瓦斯浓度。每个钻场内布置3个钻孔。钻孔开孔高度1.5m，钻孔间距1m，钻孔终孔高度距离3412工作面顶板分别为8m、10m、12m，共计15个钻孔。钻孔开孔高度为1.5m。钻孔开孔后以仰角钻进至终孔高度后，钻进至设计位置。为保证工作面过钻场时裂隙带钻孔的抽采效果，裂隙带钻孔压茬为40m，总进尺3250m（具体布置如图1所示）。

图13412 运巷裂隙带钻孔抽采示意图

2）上隅角插管的方法瓦斯抽采。在工作面回采期间为防止回采面上隅角瓦斯的积聚，利用5寸铠装管与运巷左帮的本煤层瓦斯抽采支管连接进行抽采。在靠近工作面上隅角瓦斯抽采支管末端处采用一根长8m的Ф152.4mm铠装管，一端通过变盘与运巷左帮Ф300mm的瓦斯抽采管路相连接，另一端插入上隅角，随着工作面的推进，铠装管始终保持在切顶线以内对上隅角瓦斯进行抽采，随着工作面的推进逐段对上隅角抽采支管（Ф300mm）进行回收。

2.4 深部区域瓦斯预抽设计

在3412运巷掘进过程中考虑到上部3314工作面回采过程中4#煤层瓦斯涌出及相邻工作面的瓦斯预抽问题，3412运巷掘进期间在巷道右帮施工钻场使用澳钻施工长距离钻孔对巷道右帮深部区域（3414工作面实体煤）进行预抽。钻场从距离3412运巷口起110m处开始施工第一个钻场，以后每隔100m施工一个钻场，共施工12个钻场。钻场规格：深×宽×高=5m×8m×2.5m。深部区域预抽钻孔施工采用VLD-1000型钻机（澳钻）进行施工，每个钻场布置10个本煤层预抽钻孔区域预抽钻孔，钻场钻孔终孔距离覆盖3414工作面，钻场内各钻孔的终孔位置间距为10m。钻孔开孔高度距巷道底板1.5m。每个钻场设计孔深为2790m，3412运输巷澳钻钻场总设计深度33480m。

2.5 钻孔及封孔

2.5.1 钻探设备及施工工艺

3412材、运巷本煤层钻孔施工采用CMSI-1200/30J型全液压深孔钻车，配Φ73mm螺旋麻花钻杆，湿式打眼，水力排粉，无岩芯钻进工艺。钻头采用Φ94mm复合合金钻头。

3412运巷低位裂隙钻孔及4#上煤层施工使用ZDY6000-LD型深孔钻车，钻杆规格Φ73mm×1500mm，配Φ73mm×3000mm的钻杆，在煤层中进行定向钻进。

3412工作面深部区域瓦斯预抽钻孔施工采用VLD-1000型定向钻机（澳钻）配Φ73mm×3000mm的CHD中心通览钻杆，在煤层中进行定向钻进。

2.5.2 封孔工艺

深孔钻车施工的94mm钻孔采用FKJW-50/0.5抽放瓦斯用囊袋注浆式封孔器封孔。封孔段长度8m，抽放管直径50mm。

深部区域、裂隙带封孔采用水泥注浆进行封孔，封孔管采用5寸钢管，钻孔封孔管总长度为9m，孔内封孔段长度8m。

钻孔与抽采瓦斯管连接时，设置观测嘴、阀门。抽采钻孔与抽采管路之间用φ50mm高压胶管与瓦斯抽采支管连接，高压胶管接口处要安设密封圈。

3 工作面瓦斯抽采效果分析

工作面本煤层瓦斯抽采支管瓦斯抽采浓度在25%左右，深部区域预抽钻孔抽采支管瓦斯抽采浓度在35%左右，瓦斯抽采支管瓦斯抽采纯量为6m3/min，工作面瓦斯抽采时间为22个月，预抽瓦斯量为522万m3，工作面瓦斯预抽率为48%。能够满足工作面掘进及回采期间的抽采达标要求。