3412 工作面瓦斯综合治理方案设计及应用

2021-05-13连慧刚

山东煤炭科技 2021年4期

连慧刚

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司贺西煤矿，山西吕梁 033000）

据统计，我国煤矿有将近1/3 属于高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井。矿井发生瓦斯事故时经常还会引发较多次生灾害事故，给矿井安全生产带来极大威胁[1]。如何有效防止瓦斯事故，确保工作面安全生产是矿井开采时首先要解决的问题。依据汾西矿业集团贺西煤矿3412 工作面瓦斯地质条件，提出了工作面综合瓦斯抽采设计方案，现场应用效果明显，为工作面安全生产提供安全保障。

1 工程概况

3412 工作面位于贺西煤矿三采区东翼，工作面底板标高为+595～ +665 m，地面标高为+978～+1125 m，埋深+465～ +378 m。工作面北侧为3410采空区，南侧为3414 实体煤，东侧为4#煤层不开采区域边界，西侧为三采区4#皮带巷，上部为3312 采空（工作面平面布置图如图1 所示）。工作面主采煤层为山西组4#煤层，煤层倾角3°～7°，平均5°，厚层状，结构复杂，内生裂隙发育，玻璃光泽，属半亮～光亮型煤，煤厚1.58～3.21 m，煤层分叉前煤层平均厚度3.21 m，煤层分叉后煤层平均厚度1.58 m。3412 工作面煤层原始瓦斯含量值为7.92 m³/t，原始瓦斯压力值为0.58 MPa。工作面煤层最大绝对瓦斯涌出量值为13.13 m³/min，工作面煤层最大相对瓦斯涌出量值为7.25 m³/t。

2 工作面瓦斯来源分析

为掌握工作面瓦斯来源，利用瓦斯分源预测方法来对贺西煤矿3412 工作面的瓦斯涌出量及来源进行预测分析。分源预测方法的基本原理为：依据工作面煤层瓦斯含量值大小与工作面瓦斯涌出来源关系，对回采工作面煤层瓦斯涌出量进行预测分析，具体关系如图2。

图1 3412 工作面布置图

图2 工作面瓦斯涌出源汇关系示意图

根据预测分析得出，3412 工作面煤层涌出的瓦斯来源主要是从工作面在巷道掘进期间煤层涌出的瓦斯、工作面回采生产期间煤层释放出的瓦斯及回采工作面采空区积聚的瓦斯涌出。

3 工作面煤层瓦斯综合治理方案

3.1 煤层瓦斯抽采方法的选择

3.1.1 抽采方法选择原则

（1）选择的工作面煤层瓦斯抽采方法应该与工作面煤层赋存条件、工作面巷道布置方式、地质条件和工作面回采工艺相适应。

（2）按照工作面煤层瓦斯涌出来源与工作面煤层瓦斯涌出的量值大小构成的关系进行分析，有针对性地选择工作面煤层瓦斯抽采方法，从而提高工作面煤层瓦斯抽采质量[2]。

3.2.2 瓦斯治理方法选择

根据3412 工作面瓦斯、煤层地质条件及瓦斯来源情况分析，工作面巷道掘进施工期间分别在3412 工作面材料巷、皮带运输巷设计施工工作面本煤层顺层瓦斯抽采钻孔；在3412 工作面皮带运输巷沿巷道右帮施工工作面区域瓦斯超前预抽钻孔；同时在工作面开采期间，利用工作面本煤层顺层瓦斯抽采钻孔抽采工作面煤层瓦斯，并采用裂隙带抽采瓦斯及上隅角插管抽采瓦斯相结合的综合瓦斯治理办法来治理工作面瓦斯[3-4]。

3.2 巷道掘进前超前预抽瓦斯方案

为有效降低工作面掘进施工期间煤层瓦斯含量，确保3412 工作面安全顺利掘进，在3412 工作面巷道开始施工前，利用三采区4#皮带巷内原施工的钻场和3410 工作面皮带运输巷内原施工的钻场，提前施工长距离工作面瓦斯抽采顺层钻孔，对3412工作面实体煤进行区域瓦斯超前预抽。

（1）三采区4#皮带运输巷钻孔施工设计

1#钻场布置在三采区4 皮带巷左帮开口处，钻场内共计设计5 个钻孔，钻孔深度设计300 m，倾角与煤层走向方向一致，钻孔用于对3412 皮带运输巷正前方300 m 范围内未采掘区域实煤体内的瓦斯进行超前预抽。

（2）3410 工作面皮带运输巷超前预抽钻孔设计

自3410 皮带运输巷巷道开口向里145 m 位置开始沿巷道右帮每间隔100～150 m 施工一个钻场，共计施工11 个钻场。其中，1#～5#钻场之间的间距为100 m，规格尺寸：深5 m，宽5 m，高2.5 m；6#～11#钻场之间的间距为150 m，钻场规格尺寸：深5 m，宽8 m，高2.5 m。在钻场内利用澳钻对巷道右帮3412 工作面未采掘区域施工长距离顺层钻孔，并联网进行预抽瓦斯。钻场内钻孔与钻孔终孔之间的间距控制在12 m 左右，施工的抽采钻孔要求均匀分布且终孔要保证对3412 工作面实现全覆盖，不能出现空白带。3412 工作面在回采时其上部3312 工作面已回采完毕，最大限度降低了被保护层3412 工作面瓦斯含量及压力。

3.3 巷道掘进施工期间瓦斯抽采方案

在3412 工作面巷道掘进施工期间，在3412 材巷右帮、3412 运巷左帮各铺设一趟瓦斯抽采管路，管路的直径为Ф300 mm。自巷道开口向里80 m 位置开始，沿巷道走向方向每间隔6.3 m 施工一个本煤层抽采钻孔，钻孔与巷道走向方向呈90°夹角。3412 材巷本煤层钻孔孔深80 m，3412 运巷本煤层孔深100 m。钻孔施工完毕后及时进行封孔注浆和联网抽放。

3.4 回采期间工作面瓦斯治理方案

工作面开采期间，瓦斯抽采采用的主要方法为：3412 工作面裂隙带钻孔以及上隅角插管抽采相结合的抽采方法进行瓦斯治理。

（1）初采前工作面裂隙带抽采钻孔设计

沿3412 工作面材料运输巷右帮共设计施工6个钻场，钻场规格长×宽×高=8 m×5 m×2.7 m。自距离3412 工作面材料运输巷C1 测点35 m 处开始施工1#钻场，在距1#钻场295 m 处布置2#钻场，自2#钻场开始向里每隔200 m 施工一个钻场，用于工作面裂隙带抽采瓦斯使用。在钻场内利用ZYWL-13000DS 钻机向工作面裂隙带施工抽采钻孔预抽采空区瓦斯。每个钻场内设计布置5 个钻孔，钻孔开孔间距1 m，终孔垂高5～10 m，平距距材巷右帮10～20 m 之间，钻孔压茬长度为100 m。工作面裂隙带抽采钻孔设计图如图3。

图3 3412 工作面裂隙带钻孔设计布置示意图

（2）回采期间上隅角抽采瓦斯方案设计

回采期间在3412 材巷的左帮铺设一趟瓦斯抽采管路，管路直径300 mm，在距工作面100 m 时，利用变盘将铠装管延伸至工作面上隅角进行“迈步式”抽采，即：由Ф300 mm 管路变为两根152.4 mm 铠装管延伸至工作面进行抽采，一根伸至切顶线以里5 m，另一根吊挂在上隅角位置进行抽采。抽放队安排专人负责上隅角抽采管路进行插管抽放作业。

3.5 深部区域工作面瓦斯预抽方案

3412 运巷掘进期间，自巷道开口向里130 m 位置开始，在3412 运巷右帮每间隔120 m 施工一个深5 m、宽8 m、高2.5 m 的钻场，在该钻场内向3414 工作面实体煤侧使用VLD-1000 型定向钻机施工长距离抽采钻孔，提前对3414 工作面煤层进行瓦斯预抽。每个钻场设计布置10 个钻孔，共施工11 个钻场，钻孔深度250 m，要求均匀布置，钻孔与钻孔终孔之间的间距控制在12 m 左右，能够对3414 工作面实现全覆盖。

4 封孔方式、材料及工艺

采用FKJW-50/0.5 瓦斯抽放钻孔囊袋式封孔工艺封孔。

封孔方法：（1）首先将封孔器按预设的封孔长度连接起来；（2）按预设的封孔长度和深度将封孔器送入钻孔内，将注浆管与气动搅注一体机的注浆口连接起来，准备注浆；（3）开始注浆，浆液从注浆管注入到内封堵囊袋，内封堵囊袋膨胀，将内封堵囊袋封孔段封堵；（4）观察注浆泵上的压力表读数，当浆液将两个囊袋全部注满以后，继续向里注浆时压力表读数开始逐渐升高，当压力值达到1.5 MPa 左右时，注浆泵上的压力表读数会瞬间回到零位，此时表明已经将囊袋中的爆破阀全部打开，此后继续向囊袋中注浆，使压力再次缓慢上升，当达到2 MPa 并持续一段时间后，注浆泵自动停运，完成注浆。

5 应用效果分析

在采取上述瓦斯综合治理措施后，3412 工作面本煤层瓦斯抽采浓度达到26%左右，工作面深部区域施工的预抽钻孔抽采的瓦斯浓度可以达到33%左右，抽采的瓦斯纯量能够达到5.8 m3/min，对工作面煤层瓦斯抽采时间达到22 个月以上，抽采的瓦斯量能够达到525 万m3，工作面超前预抽瓦斯效率达到了43.1%，抽采效果较好。