屯兰矿22301工作面瓦斯综合治理技术设计与实践

宋鹏飞

（山西焦煤西山煤电集团有限公司屯兰矿，山西 古交 030206）

1 工程概况

山西焦煤西山煤电屯兰矿22301工作面位于北三盘区右翼，西接北三回风巷，东至北一盘区边界煤柱，与22118采空区最短间距36m，南邻22303工作面（未布置），北邻风坪岭断层保护煤柱。工作面倾斜长度为200m，走向长度为2592m。工作面开采1+2+3#煤层，煤层厚度为 4.16～5.14m，均厚为4.65m，平均倾角4°，煤层中含有两层夹矸层，其中一层在1、2#煤之间，为炭质泥岩，平均厚度为0.31m，另一层夹矸层在2#和3#煤之间，同样炭质泥岩，平均厚度为0.66m，煤层直接顶为砂质泥岩，基本顶为细砂岩，底板岩层为砂质泥岩和粉砂岩，根据矿井地质资料可知，1+2+3#煤层瓦斯原始含量为6.48m3/t，工作面采用“U”型通风系统。

基于《煤矿瓦斯抽采基本指标》中关于回采工作面瓦斯含量要求的部分可知，在工作面回采前必须将煤层内的瓦斯含量降低至8m3/t以下[1]，根据22301工作面的地质条件可知，煤层瓦斯的原始含量为6.48m3/t，小于规定值8m3/t，但是1+2+3#煤层为煤与瓦斯突出煤层，为防止工作面回采期间出现瓦斯超限的问题，需采取有效措施进行瓦斯治理。根据矿井地质资料可知，煤层的透气性系数为1.62m2/MPa2.d，钻孔的瓦斯衰减系数0.0031d-1，属于可抽采煤层，故现针对22301工作面的地质条件，制定有效的瓦斯抽采措施，确保工作面回采期间的安全。

2 瓦斯抽采方法的选择

根据22301工作面顶底板岩层的赋存情况可知，1+2+3#煤层的上下邻近层分别为02#煤层和4#煤层，本煤层与上下邻近层间的平均间距分别为14.54m和8.6m，根据矿井瓦斯抽采初步设计报告可知，1+2+3#煤层回采期间，本煤层的相对瓦斯涌出量为5.2m3/t，上下邻近层相对瓦斯涌出量分别为1.65m3/t和0.67m3/t，按照工作面一天的产煤量为7200t计算，能够得出上下邻近层的绝对瓦斯涌出量分别为8m3/min和3m3/min，本煤层的相对瓦斯涌出量为26m3/min。

基于上述数据可知，22301工作面回采期间，瓦斯主要来源于本煤层与其上下邻近层，工作面回采期间的瓦斯绝对涌出量为37m3/min，据此可知，需对工作面本煤层与其上下邻近煤层的瓦斯进行治理，基于此确定22301工作面的瓦斯抽采措施主要采用本煤层预抽、上、下邻近层瓦斯抽采结合采空区后部瓦斯抽采。

3 瓦斯抽采方案设计

3.1 本煤层瓦斯抽采钻孔

3.1.1 抽采钻孔布置

钻孔布置在轨道和胶带顺槽内，其中胶带顺槽内钻孔布置在工作面前方1.5m～停采线的位置；轨道顺槽内抽采钻孔布置在工作面前方5m～停采线的位置，具体本煤层抽采钻孔布置参数如表1，布置形式如图1。

表1 本煤层瓦斯抽采钻孔参数表

图1 本煤层瓦斯抽采钻孔布置示意图

3.1.2 封孔工艺

钻孔采用双囊袋式封孔工艺[2-3]，具体封孔的方法及步骤如下：

1）在封孔器的后端加接若干根封孔管，根据合理封孔深度，将封孔器插至钻孔内设定的深度。

2）将注浆管接到封孔器外设注浆口上，随着封孔器插入到指定位置。

3）按照要求的水灰比在手动搅拌器内搅拌浆液2分钟左右，待浆液搅拌均匀后，启动风动注浆泵。

4）在注浆作业持续进行5～8min，在注浆过程中需持续的观察着压力表数据的变化，在压力表数据出现第一次突然升高时，此时表明浆液已经充满了双囊袋；随着注浆作业的进行，随后压力表会出现压力突然下降的现象，此时表明中间压力控制阀已经打开，浆液开始逐渐进入到两个囊袋中间；随着注浆作业的持续，压力表会出现第二次升高现象，此时便表明浆液已经充满囊袋之间的空间，当压力达到0.6MPa时，进行稳压注浆，持续进行1～2分钟后，即可停止注浆。

5）停止注浆后，打开卸压阀，将管路内的浆液排出，随后开泵清洗管路，这即完成了一个钻孔的封孔作业。

3.2 上邻近层瓦斯抽采

3.2.1 钻孔布置参数

22301工作面回采前需施工上邻近层钻孔，在22301轨道、胶带均布置高、低位抽采钻孔，轨道巷高、低位钻孔共布置317个，开孔位置为22301轨道巷口以里98m处,高、低位依次8m孔间距向切眼方向施工到距切眼10m处，胶带巷高、低位钻孔共布置512个，开孔位置为22301胶带巷口以里108m处，高、低位依次5m孔间距向切眼方向施工到距切眼10m处，钻孔参数如表2所示。高低位钻孔布置剖面如图2所示。

表2 钻孔布置各项技术参数表

图2 高低位钻孔布置剖面图

3.2.2 封孔工艺

封孔采用3根4m的2寸PVC管作为封孔器，封孔采用麻袋+聚胺脂卷缠法，通过在封孔器前后两端缠绕800mm，封孔器的中间部分通过注浆泵注入聚胺脂进行封孔[4-6]，封孔时，封孔器伸出煤壁300mm，具体封孔形式如图3所示。

图3 上邻近层抽采钻孔封孔示意图

3.2.3 下邻近层瓦斯抽采

下邻近层瓦斯采用定向长钻孔抽采进行治理，通过在22301胶带巷、北三胶带巷内分别布置3个和1个顺层走向长钻孔钻场，共计布置钻孔54个，设置定向长钻孔的深度为120～800m，钻孔封孔方式同邻近层抽采钻孔。

3.3 采空区瓦斯抽采

为了解决回采期间采空区瓦斯涌出问题，在22301瓦斯治理巷置57个大孔径钻孔，具体大直径钻孔各项如表3所示，布置形式如图4所示。

大直径钻孔封孔采用聚氨酯封孔，封孔长度20m，钻孔开孔及终孔3m长度采用卷缠药液法进行封孔，在钻孔中部14m的长度通过注浆泵注入聚氨酯，以有效充填大直径钻孔中的护管与围岩间的空隙，以此保障抽采效果。

表3 大直径钻孔参数表

图4 大直径瓦斯抽采钻孔布置示意图

4 抽采效果分析

在工作面回采期间，进行工作面区域瓦斯浓度的监测，根据监测结果可知，工作面采用上述瓦斯综合治理措施后，回采期间工作面上隅角瓦斯浓度最大值为0.55%，最小值为0.47%，上隅角平均瓦斯含量为0.51%，回风流中瓦斯浓度最大值为0.51%，最小值为0.39%，平均瓦斯浓度为0.45%。基于上述分析可知，工作面回采期间，回风巷及上隅角区域瓦斯浓度均小于0.6%（瓦斯浓度超限值），据此可知，22301工作面采用本煤层+上下邻近层+采空区大直径钻孔抽采的方式，保障了工作面的安全开采。

5 结论

根据22301工作面地质条件及瓦斯赋存情况，得出工作面回采期间的瓦斯主要来源于本煤层与上下邻近层，确定工作面瓦斯综合治理措施为本煤层抽采、上下邻近层瓦斯抽采、结合采空区大直径钻孔。工作面采用瓦斯综合治理措施后，回采期间上隅角和回风流中瓦斯浓度最大值分别为0.55%和0.51%，无瓦斯超限现象出现，保障了工作面的安全回采。