1905S 工作面上隅角瓦斯综合治理技术研究及应用

赵 坤

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037）

内蒙古福城煤矿1905S 工作面在回采150 m 后，上隅角瓦斯增大，回采300 m 后出现瓦斯涌出异常，上隅角瓦斯超限。在使用分源预测法预测瓦斯涌出量基础上，提出了采用高位裂隙钻孔抽采、高抽巷抽采与上隅角插管抽采相结合的方法对工作面瓦斯进行治理[1-2]。

1 矿井瓦斯基本情况

内蒙古福城矿业有限公司（简称福城煤矿）在银川市东南35 km。福城煤矿井田整体为长方形，煤矿井田东西宽约为5.3 km，南北长约7.4 km，面积约27.702 9 km2，开采标高+1050 m～ -250 m，地质资源量大约为237.94 Mt。

1905S 工作面走向长为1182 m，倾斜长为150 m；计划风量1720 m³/min，实际供风量1840 m³/min。

2 1905S 工作面瓦斯涌出量预测

2.1 回采工作面相对瓦斯涌出量计算

回采工作面相对瓦斯涌出量计算公式如下所示：

式中：q1为开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；q2为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。

2.2 回采面绝对瓦斯涌出量计算

回采煤层工作面的绝对瓦斯涌出量计算方法运用本煤层的相对瓦斯涌出量跟邻近层的相对瓦斯涌出量值来获得。

计算可以得到瓦斯涌出量数据：1905S 综采工作面本煤层的瓦斯涌出量大约为2.53 m3/t，邻近层的瓦斯涌出量大约为3.40 m3/t。当工作面按4000 t的煤矿日产量来进行煤矿生产作业时，本煤层绝对瓦斯涌出量大约是7.03 m3/min，按比例占总的瓦斯涌出量的42.7%，邻近层绝对瓦斯涌出量占总的瓦斯涌出量的57.3%。

3 1905S 工作面瓦斯治理技术方案

3.1 瓦斯治理技术选用

通过使用分源预测法来进行瓦斯涌出量的初步预测，得到1905S 工作面的瓦斯涌出主要来自于邻近煤层，从而导致了上隅角瓦斯浓度过高。高位钻孔具有抽采时间长、抽采浓度高等优点，均优于普通钻机抽采。高抽巷抽采技术能够对回采工作面的瓦斯进行高位抽放，提高了工作面生产的安全性和效率。上隅角插管抽采技术是解决瓦斯积聚问题的成熟技术。因此在综合考虑分析之后决定采用高位钻孔抽采、高抽巷抽采与上隅角插管抽采相结合的治理方法[3]。

3.2 1905S 工作面瓦斯治理方法设计

邻近层瓦斯的大量涌出是1905S 工作面上隅角瓦斯超限的主要因素，在使用合理通风方式没有解决瓦斯超限问题之后决定采用以下方法来处理。

（1）顶板走向高位钻孔抽放采空区瓦斯

高位钻孔抽采技术原理：通过回采工作面采动压力形成的裂隙作为通道来抽采瓦斯，能够有效减少上邻近煤层进入回采工作面的卸压瓦斯，同时可以利用高位钻孔的负压作用来改变煤层和采空区的气体流场，减少煤层和采空区内瓦斯向生产工作面的涌出量和上隅角瓦斯积聚量[4]。此处高位钻孔抽采主要用于抽放邻近层涌入采空区内的高浓度瓦斯。

高位瓦斯抽放钻孔参数设计原则：钻孔轴线在回风巷方向的投影长度为x；钻孔终孔点距煤层顶板的铅垂距离为y。裂隙带的高度和裂隙带的可抽高度是抽放高度的决定性因素；钻孔终孔点在回风巷所在水平面垂直投影点到回风巷的距离为z。

高位瓦斯抽放钻孔参数如图1。

图1 高位钻孔参数示意图

冒落带高度计算：

通过计算可知该工作面冒落带高度为8.3～12.7 m；

裂隙带高度计算：

经计算得到该工作面裂隙带高度约为33.4～46.5 m。

按照一般高位抽放钻孔的最佳层位，终孔应落在冒落带上方6～8 m 处。但是，本工作面高位钻孔主要抽采上覆煤层3 号、5 号、8 号煤层卸压瓦斯，因此，本工作面设计高位钻孔位于工作面顶板30～50 m，内错15～30 m。

钻孔设计：设计采用高、中、低三种层位结合的方式，每个钻场施工10 个钻孔，相邻两个钻场的钻孔压茬长度不小于50 m，抽采钻孔覆盖工作面上部约50 m 范围，终孔间距5 m。

第6 个高位钻场钻孔设计：第六个钻场距工作面开切眼1100 m，设计第一层3 个高位钻孔斜长为223.6～223.9 m，第二层4 个高位钻孔斜长为222.5～222.6 m，第三层3 个高位钻孔斜长为221.5 m。第一层钻孔终孔位置位于煤层顶板以上50 m，第二层钻孔位于煤层顶板以上40 m，第三层位于煤层顶板以上30 m。1905S 第六钻场高位钻孔设计平面图如图2。

图2 高位钻孔平面设计图

（2）高抽巷抽放邻近层卸压瓦斯

1905S 工作面上方63 m 处有原先布置在3-1 煤中的1304S 综采工作面，1304S 综采工作面在回采工程中由于3-1 煤顶板比较破碎，工作面回采难度大，1304S 综采工作面停止开采，工作面密闭。因为1304S 工作面运输巷在1905S 工作面的上方，满足作为1905S 综采工作面高位抽采巷的条件。

（3）上隅角插管抽放采空区瓦斯

上隅角插管系统的抽采为开放式的抽采，通过该方式进行抽采之后会在上隅角的空间内部形成一个负压区，上隅角的高浓度瓦斯可以通过抽采插管系统直接排出。

4 1905S 工作面瓦斯治理效果

4.1 高位钻孔抽采效果

根据各抽采钻孔数据，第一层高位钻孔距离煤层顶板10～30 m 时抽采效果较好，抽采瓦斯浓度10%～60%；第二层钻孔距离煤层顶板10～22 m 时，钻孔内瓦斯浓度基本稳定在30%以上；第三层钻孔抽采效果不佳。

通过现场考察验证，1 号、2 号、3 号、6 号、7 号钻孔瓦斯抽采效果较好，说明这些钻孔所穿过的位置裂隙发育较好。4 号、5 号钻孔位置离回风巷较近，受回风巷上帮煤壁的支撑作用，裂隙发育不完整，影响抽采效果。8 号、9 号、10 号钻孔终孔高度位于煤层顶板以上30 m，其钻孔瓦斯抽采效果较差主要原因应是钻孔设计较长，钻孔仰角太小，使钻孔在施工工程中容易偏离设计方向。

4.2 1905S 工作面瓦斯治理效果

1905S 综采工作面回采期间，在运用高位钻孔抽采、高抽巷抽采与上隅角插管联合抽采前，工作面回风流瓦斯出现异常，上隅角瓦斯日平均值浓度明显超限，工作面的回风流瓦斯浓度达到了0.20%～0.35%。在运用高位钻孔抽采、高抽巷抽采与上隅角插管联合抽采后，工作面回风流的瓦斯浓度快速下降到0.08%～0.28%，工作面的上隅角瓦斯浓度日平均值下降到0.3%～0.45%。图3 为风排、泵站抽放、上隅角插管抽放瓦斯纯量的对比图。采用该种方式治理1905S 工作面瓦斯取得了显著效果，解决了回采过程中工作面上隅角瓦斯超标的问题。

图3 风排、泵站抽放、上隅角插管抽放瓦斯纯量对比图

5 结论

通过对1905S 工作面的瓦斯来源和采空区上方三带高度进行理论分析，研究提出并实施了综合治理工作面瓦斯的技术方案，取得了显著的效果，可以得出如下结论：

（1）1905S 工作面高位钻孔主要抽采上邻近层卸压瓦斯，通过10 个钻孔抽采效果的分析，最佳抽采位置在距离煤层顶板上方15～30 m，终孔位置内错工作面回风巷20～30 m。

（2）1905S 工作面在开采过程中，瓦斯涌出量出现异常现象，通过采用高位钻孔抽采、高抽巷抽采与上隅角插管联合抽采的瓦斯综合治理技术，工作面上隅角瓦斯浓度下降到0.3%～0.45%，工作面回风流瓦斯浓度下降到0.08%～0.28%，解决了工作面上隅角瓦斯超限问题，消除了瓦斯事故隐患，保证了煤矿的安全开采。