急倾斜煤层采面回风隅角瓦斯治理技术

2021-11-27邓天华张亮张孟军周忠国李志红陈云

中国科技纵横 2021年8期

邓天华张亮张孟军周忠国李志红陈云

（四川省华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿，四川华蓥 638600）

0.引言

绿水洞煤矿开采K1煤层伪顶为粘土泥岩，直接顶为钙质泥岩，基本顶为泥岩、硅质灰岩，厚度10m～15m，其上为灰岩，顶板岩性坚硬、结构较完整，采煤工作面煤层倾角超过40°，平均厚度2.6m，采用综采一次采全高，全部垮落法管理顶板；由于煤层倾角大，采空区垮落的顶板首先将中下部充填密实，造成采空区放顶步距和悬顶面积较大，容易积聚高浓度瓦斯，导致回风隅角瓦斯浓度经常处于临界状态，特别是在顶板周期来压时极易造成瓦斯超限报警，给矿井安全生产带来了极大威胁。矿井未对采空区“竖三带”进行考察，未能准确找到采空区瓦斯富积区域，高位抽放钻孔设计参数也是根据自行理解进行设计，缺乏科学理论及技术依据支撑，导致抽放效果极不理想，也造成抽放工程浪费[1-2]。因此，急需开展回风隅角“竖三带”及回风隅角瓦斯治理技术研究，提高采空区抽放效果，解决回风隅角瓦斯问题。

1.技术方案选择

1.1 方案制定

通常情况下，采用抽放采空区瓦斯来治理隅角瓦斯的方法由于工作面回采方式和巷道布置的差异方式，导致抽放方法较多。结合绿水洞煤矿325采区工作面实际情况，U形通风系统回风，所以根据工作面实际通风方式，U形通风系统回采工作面回风隅角瓦斯治理就首先考虑到采用高抽孔或高抽巷的治理技术方案，提出三种方案进行比较，选择最优方案，从而解决工作面回风隅角瓦斯超限问题。

1.1.1 高抽孔抽放治理

高抽孔主要分为两类，一类是向上高抽孔；另一类则是高位平抽孔。向上高抽孔一般沿工作面走向“搭接式”布置，钻孔施工在工作面采空区冒落拱之上裂隙带内的中下部。高位平抽孔则是先在回风巷施工高位钻场（钻场一般落平在裂隙带内），然后在钻场内布置水平长钻孔来抽放采空区瓦斯。

1.1.2 高抽巷抽放治理

在工作面回风顺槽上方的裂隙带层位内（水平投影位置错开一定距离）布置走向高位抽放巷，并在巷道开口位置设置密闭墙，墙内接入绝缘、抗静电的PVC抽放管道与抽放系统连接，抽放采空区瓦斯。

1.1.3 高位钻孔与底板穿层孔结合

根据治理工作面邻近井巷工程特点，采取阶段接替式高位钻孔与底板穿层孔相结合的采空区瓦斯抽放治理。主要工程包括：一是在工作面邻近的井巷内布置高位抽放钻孔；二是在回风顺槽内布置高位抽放钻孔；三是利用回风顺槽掘进前实施的区域性防突技术措施，施工穿层条带布置预抽钻孔；四是在工作面回风联络巷内施工高位钻场后再施工高位水平钻孔。

1.2 方案比较

方案一：采用高抽孔抽放治理隅角顶板裂隙瓦斯，两类高位孔均有着较好的治理效果。但在现场应用中，向上“搭接式”高抽孔，随着工作面的不断推进，冒落带范围不断增大，当工作面回采到一定距离时，钻孔己经处于冒落带范围内，开始逐渐失去作用，而且由于钻孔与冒落带空气连通，降低了抽放效果，需要下一组高抽孔来接替抽放直到工作面回采完毕，因此钻孔施工量较大，钻孔有效利用率低，抽放服务期短。

高位平抽孔由于施工前需要在回风巷内施工一钻场至裂隙带层位后，然后再在钻场内布置高位平抽孔抽采采空区裂隙带内瓦斯，若当工作面走向较长、钻孔施工深度受限的情况下，还需间隔一定距离布置若干个高位钻场来施工高位平抽孔。钻场工程量大，钻场内瓦斯积聚不便于通风瓦斯管理。

方案二：采用走向高抽巷在采空区裂隙带进行抽放时，抽放效果明显，瓦斯抽放量大，随着工作面回采，采空区顶板岩层内裂隙发育越来越好，从而使得采空区瓦斯抽放效果更加明显。在工作面正常回采过程中，由该抽放巷所抽出的瓦斯浓度比较稳定，并且在工作面回采工作结束后的一段时间内仍能抽出一定浓度的瓦斯，从而使相邻工作面或与其距离较近煤层在回采过程中的瓦斯压力得到明显缓解。

方案三：采用阶段接替式高位钻孔与底板穿层孔相结合的抽采技术，综合了向上“搭接式”高位钻孔与走向水平长钻孔在采空区瓦斯抽放优点，同时治灾工程量较小，对于采空区、围岩底板裂隙及邻近层瓦斯涌出灾害小，生产接替紧张矿井非常适合。特别是进入中、后期，在高位水平走向长钻孔的抽放影响范围内时方可提高抽放治理效果，该阶段钻孔均是在裂隙带层位内，有利于抽放高浓度瓦斯。

为了保证矿井安全生产且采掘正常接替，对三种方案进行比较分析，最终选取方案三。

2.高位抽放钻孔抽采情况

通过对3251高位抽放钻孔抽放效果考察，在对回风隅角采取水力致裂措施后，回风隅角悬顶面积基本控制在5m³以内；而高位孔在距工作面煤层顶板高度低于15m的钻孔，其钻孔抽采瓦斯浓度均低于10%，在距工作面煤层顶板高度约20m～28m时钻孔内瓦斯浓度较高，在距工作面煤层顶板30m以上，高位孔抽放浓度有所下降，因此，基本确定急倾斜煤层在距工作面煤层顶板15m以下的区域，由于顶板垮冒严重，钻孔抽采浓度低，该区域为垮冒区，在距工作面煤层顶板15m～30m区域，裂隙瓦斯富积，钻孔抽采浓度较高，为裂隙区，30m以下的区域瓦斯抽采浓度相对较低，则可以确定为弯曲下沉带。

根据3251采煤工作面高位抽放情况分析，煤层顶板高度约20m～30m且钻孔距风巷平距15.3m～27.9m时，钻孔内瓦斯浓度较高；高位抽放钻孔距煤层的高度在16.6m～30.2m时，抽放纯量最高；因此，初步确定距工作面顶板15m以下的范围为垮冒区，距工作面风巷平距120m～30m为裂隙区，36m以上为顶板弯曲下沉区。

根据收集的数据分析，3251采煤工作面回风隅角采取水力致裂切顶后，采空区裂隙区主要集中在距工作面风巷平距15m～35m，裂隙高度约16m～36m，因此，高位抽放钻孔应重点布置在距工作面风巷20m～30m，距煤层顶板20m～28m处。

3251采煤工作面采取高位抽放后，高位抽放钻孔瓦斯抽采浓度基本保持在20%以上，通过对工作面回风隅角瓦斯基本参数连续监测，工作面正常回采过程中平均瓦斯涌出量约3.51m3/min，甲烷浓度在0.23%左右，回风隅角平均甲烷浓度为0.58%，瓦斯涌出量0.68m3/min；工作面甲烷浓度在0.2%以内，工作面割煤期间甲烷浓度由0.2%逐渐增高到0.3%；回风隅角漏风约120m3/min，回风隅角悬顶面积平均5m3。