孤岛工作面瓦斯治理技术的研究与应用

李 罡，陈 平，钱红亮

(河南能源义煤公司，河南 洛阳 471100)

孤岛工作面两侧均为采空区，巷道应力集中程度高，巷道内漏风通道复杂，漏风量较大。保护煤柱在应力的作用下，巷道裂隙发育，临近采空区内瓦斯易通过裂隙进入工作面内，造成工作面内瓦斯超限，严重威胁工作面的安全生产[1-2]。

1 工作面概况

孟津煤矿为煤与瓦斯突出、水文地质复杂矿井。12030工作面为矿井12采区第三个回采工作面，位于副井西北侧，沿煤层倾向布置，北侧为采区保护煤柱，南侧均为工业广场保护煤柱，工作面西邻已回采完毕的12050工作面，东邻12011工作面采空区。工作面轨道巷道为沿空留巷巷道，胶带巷道为沿空掘巷巷道，沿煤层倾向布置，平均煤厚6.2 m，切眼净长度125 m，可采长度550 m。

12030工作面二1煤伪顶不太发育，局部存在黑色炭质泥岩，伪顶厚度在0～0.5 m之间；直接顶为砂质泥岩，层理比较明显；老顶为灰色-浅灰色中粒石英砂岩(大占砂岩)，厚13.8～15.2 m，顶板发育平整，相对比较稳定。该工作面二1煤层直接底为碎软的泥岩及砂质泥岩，厚度约2.0～2.6 m，老底为砂质泥岩夹细粒砂岩薄层，岩体结构和岩性完整，稳定性也较好。

12030工作面煤层属不易自燃煤层，煤体坚固系数f值在0.12～0.46之间，瓦斯放散初速度ΔP在10.5～24.0之间，煤尘具有爆炸危险性，爆炸指数为11.7%。采用井下直接法对工作面原始瓦斯含量在最小为6.29 m3/t，最大为11.74 m3/t，瓦斯压力最大为0.78 MPa。工作面布置方式如图1所示。

图1 12030工作面巷道布置

2 工作面瓦斯来源分析

12030工作面在回采期间，由于受巷道应力及采空区瓦斯涌出影响，工作面瓦斯居高不下，尤其上隅角内瓦斯多次超过1%，严重制约了工作面的推进度。通过对瓦斯涌出来源进行分析，主要原因是以下几点[3-4]：

1) 采空区瓦斯涌出。由于孤岛工作面应力较大，工作面在回采期间，受采动影响，临近工作面采空区通过保护煤柱或留巷巷旁支护砌块裂隙进入到工作面内，尤其是12050工作面采空区由于巷旁支护的砌块墙在受压变形后出现裂隙，涌出到工作面的进回风巷内，造成工作面瓦斯浓度升高。且随着工作面的回采，采空区面积越大，涌出的瓦斯越多。

2) 煤壁瓦斯涌出。工作面在回采过程中，裸露的煤层由于卸压作用，工作面煤壁的瓦斯不断进行释放，尤其在工作面回采及放煤期间，破碎煤体将释放大量瓦斯进入到工作面内。

3) 配风影响。在工作面回采期间，为减少工作面瓦斯超限几率，通过增加配风量对瓦斯进行稀释，对降低瓦斯浓度有一定的作用。但配风量的增加，风压增大，漏风量同时增大，造成采空区内的瓦斯更容易进入到工作面进回风巷内，瓦斯量进一步加大。

3 工作面瓦斯综合治理措施

3.1 采空区瓦斯抽采

通过对瓦斯来源进行分析，在工作面上隅角采用插管抽放的方法对上隅角瓦斯进行治理，是避免上隅角瓦斯超限行之有效的抽放方法。具体施工工艺为：

1) 打设煤袋墙。工作面回采时，根据工作面推进度在工作面上隅角打设煤袋墙，煤袋墙按照与巷帮老塘侧切顶线成45～60°夹角进行打设，煤袋按“品”字形竖着码放，墙体厚度不低于0.5 m。煤袋墙采用编织袋装煤进行打设，并在墙垛顶部预留出500 mm的三角区域，便于后期插管，要求煤袋墙打设接顶接底、靠帮严实，同时使用黄泥对煤袋墙进行抹缝，避免瓦斯漏出。

2) 在墙体预留三角区域插入两趟D100 mm的抽采管路，插入墙体以里0.5～1 m，抽采管路距巷道顶板的距离为0.3 m，用于抽采采空区瓦斯。抽采管前段花管部分必须留在采空区内进行抽放，严禁将花管部分压在煤袋墙中或未插入煤袋墙内。插管后，抽采管顶部采用塞入煤袋并以黄泥进行密封，确保不漏气。插管抽采示意如图2所示。

图2 上隅角插管抽放巷道布置

3.2 高位钻孔抽采

根据矿压理论可知，工作面在回采推进时，在工作面周围形成1个采动影响压力场，压力场及其影响范围在垂直方向自上而下形成弯曲带、断裂带和垮落带。随着工作面的推进，受采动影响，压力场及其影响范围不断变化，形成大量裂隙，为采空区瓦斯的运移及存储提供了场所，也为高位钻孔抽放采空区瓦斯提供了条件[5]。

在12030工作面轨道巷连续布置钻场并施工高抽钻孔以抽采采空区瓦斯，钻场布置为沿里向外每60 m布置1个，每个钻场设计布置高抽钻孔6个，孔径D113 mm，分为2排，排距0.5 m，同排钻孔间距0.6 m，顶排钻孔距钻场顶板0.2 m。可根据现场实际情况调整钻孔布置及参数，但必须控制煤层顶板以上20～30 m。钻孔布置见图3。

图3 12030工作面回采期间高抽钻孔布置示意

3.3 顺层钻孔施工

强化该工作面瓦斯治理效果，在轨道侧布置钻场以施工顺层瓦斯治理钻孔，使用“边采边抽”的方法进一步对工作面前方煤体进行卸压抽放。考虑人为施工钻场造成的应力问题，尽量减少钻场的布置数量，结合可利用高抽钻孔钻场的实际情况，将顺层钻场间距设置为60 m，既在每个高抽钻场内施工顺层抽放钻孔，钻孔采用扇形布置，具体钻孔布置见图4。

图4 12030工作面轨道巷道卸压钻孔布置示意(m)

3.4 穿层钻孔抽采采空区瓦斯

为了防止初采初放顶板来压时采空区瓦斯溢出造成瓦斯超限，工作面利用原底抽巷向采空区补充施工穿层钻孔以辅助抽采，在12030工作面采空区范围对应的轨道底抽巷巷顶向采空区补充施工不低于4个D113 mm穿层钻孔，钻孔布置示意见图5。

图5 辅助抽采采空区瓦斯穿层钻孔布置示意

4 瓦斯治理效果分析

4.1 采空区插管

通过对上隅角插管主管路的瓦斯浓度进行测量，12030工作面上隅角瓦斯抽采浓度在0.6%～2.8%之间，瓦斯纯流量0.02～0.23 m3/min，混合流量为6.44～12.75 m3/min，12030工作面回采期间，上隅角最大瓦斯浓度为0.55%。说明采空区插管一定程度上减少了采空区瓦斯向上隅角内涌出，减少了上隅角瓦斯超限。但由于插管作用范围较小的局限性，因此不能从根源解决回风流瓦斯浓度居高不下的问题。

4.2 高位钻孔

通过对高位钻孔瓦斯浓度进行测量，12030工作面高位钻孔抽放管内瓦斯浓度在8%～35%，瓦斯纯流量为0.24～1.75 m3/min。

4.3 穿层钻孔抽采采空区瓦斯

通过对穿层钻孔瓦斯浓度进行测量，12030工作面穿层钻孔抽放管内瓦斯浓度在2.35%～17.18%，瓦斯抽放量为0.02～0.79 m3/min。

6 结 语

通过对工作面采取有效的瓦斯治理措施，有效提高了工作面的瓦斯治理效果，减少了工作面瓦斯浓度。通过对12030工作面2020年6月到8月工作面及回风流中瓦斯浓度的监测统计，12030工作面回风流瓦斯浓度最大为0.6%，上隅角瓦斯浓度最大为0.55%，杜绝了工作面回风流及上隅角瓦斯超限的问题，充分说明了工作面的瓦斯治理措施是行之有效的，工作面最大日产量达到3 800 t，有效保证了工作面的高产高效发展。