综采工作面瓦斯综合治理技术应用

姚美红

（山西沁和能源集团南凹寺煤业有限公司，山西 晋城 048000）

南凹寺煤业开采的3#煤层具有自然发火倾向，30401综采工作面在回采期间上隅角经常出现瓦斯积聚造成瓦斯超限，采用埋管的方式对工作面采空区瓦斯进行抽采时，容易在工作面采空区内形成负压区，导致工作面的风量有一部分向采空区内流动，造成采空区漏风量增大，增加了工作面采空区内遗落的煤炭发生自然发火的危险性。为有效防止工作面出现瓦斯超限和采空区内遗煤发生自燃现象，根据工作面煤层、瓦斯地质情况及瓦斯治理技术水平，研究制定并实施工作面瓦斯综合治理方案，保障了工作面安全回采。

1 工程概况

30401综采工作面位于南凹寺煤业四采区东翼下段，工作面西靠三采区轨道运输巷，东至矿井井田边界，南部和北部为矿井未开采区域（工作面布置如图1）。工作面设计走向长1128 m，切眼斜长200 m。工作面主采15#煤层，煤层厚度2.2～3.7 m，平均3.3 m，煤层倾角6°～12°，平均9°。煤层顶板岩性为砂质泥岩夹薄层细砂岩，底板岩性为砂质泥岩。工作面煤层自燃倾向等级为Ⅱ类，属于自燃煤层。工作面采用U型上行通风方式，即下顺槽进风，上顺槽回风。工作面煤层瓦斯地质参数见表1。根据相邻已回采工作面煤层瓦斯涌出量情况，预计30401工作面绝对瓦斯涌出量为42 m³/min。

表1 30401工作面煤层瓦斯地质参数

图1 30401工作面平面布置图

2 工作面瓦斯综合治理技术

2.1 本煤层顺层钻孔抽采

根据30401工作面煤层赋存情况，在工作面上下顺槽距切巷不少于50 m位置向外布置施工顺层钻孔，钻孔呈单排方式布置，沿垂直工作面走向方向施工，钻孔开孔位置距巷道底板1.5～1.8 m，孔深不低于110 m，孔间距2.4 m，钻孔直径94 mm，上下顺槽施工的钻孔相互交叉长度不低于10 m。钻孔布置如图2。

图2 30401工作面上下顺槽顺层钻孔布置示意图（m）

2.2 高位钻孔抽采

采用高位钻孔抽采工作面采空区瓦斯主要有两种布置方式[1-6]，一种方式是在工作面顺槽内施工高位钻场，在钻场内向工作面采空区方向施工改为钻孔进行抽采；一种是直接在顺槽内沿巷帮位置施工高位钻孔抽采瓦斯。

2.2.1 钻场内高位钻孔抽采

在30401工作面回风顺槽内沿走向方向每间隔60 m施工一个顶板高位钻场，钻场开口方向垂直于巷帮，钻场宽3.6 m，高3.0 m，深4.8 m，采用锚网索支护。钻孔布置在钻场右帮，每个钻场设计布置上下2排钻孔，每排4个钻孔，每排钻孔开孔位置孔间距为0.6 m，其中下排钻孔开孔位置距巷道底板1.6 m，上排钻孔距巷道底板1.8 m，钻孔设计深度120 m，直径94 mm。钻孔呈扇形布置，终孔位置距工作面煤层顶板24～45 m。钻孔布置如图3，施工参数见表2。

表2 钻场高位钻孔施工参数

图3 30401工作面上顺槽钻场高位钻孔布置示意图

2.2.2 巷旁高位钻孔抽采

在30401工作面回风顺槽内距切巷50 m向外开始每间隔60 m施工一组巷旁高位钻孔，每组设计布置10个钻孔，上下两排布置，每排施工5个，钻孔排距0.5 m，上排孔开孔位置距巷道底板1.8 m，下排孔开孔位置距巷道底板1.6 m，孔深120 m，孔径94 mm，钻孔终孔位置距煤层顶板15～45 m，进入到工作面距离为33～78 m。巷旁高位钻孔布置如图4，钻孔施工参数见表3。

表3 巷旁高位钻孔施工参数

图4 30401工作面上顺槽巷旁高位钻孔布置示意图

2.3 上隅角埋管抽放

2.3.1 确定工作面采空区自燃三带范围

30401综采工作面主采的15#煤层属于自燃煤层，具有自然发火倾向。为抑制采空区遗煤自燃，工作面上隅角采用埋管抽放瓦斯时要尽量达到以下要求[7-8]：（1）减小上隅角瓦斯积聚浓度，防止上隅角瓦斯超限；（2）工作面回采期间使用煤袋在上隅角建设密闭墙，并使用黄泥对煤袋及埋管周围缝隙进行填塞，保证上隅角采空区密闭性，减少埋管时上隅角采空区漏风量，防止采空区遗煤出现氧化自燃。根据矿井综采工作面上隅角以往埋管抽放情况，插入到采空区内抽采管长度越长，抽采的瓦斯浓度越高，瓦斯抽采量也越大，但是在降低上隅角瓦斯浓度方面效果不是很明显。一般上隅角插管进入采空区内5～30 m范围内均能够起到降低上隅角瓦斯浓度的效果，当超过30 m后，瓦斯抽采量明显增大，但上隅角瓦斯浓度降低效果不明显。

为能够掌握工作面采空区内自燃三带范围，在工作面初采期间就开始利用束管监测系统对工作面采空区内产生的气体主要成分进行监测。根据自燃三带划分标准[9-10]（见表4）及采空区内气体成分监测结果，确定30401综采工作面采空区自燃三带划分的范围为散热带0～27 m，氧化自燃带27～68 m，窒息带在68 m以后。据此可知，将上隅角埋管深度控制在27 m以内能够有效防止因埋管造成采空区遗煤发生自燃问题。在对30401工作面上隅角采取埋管抽放措施时，控制埋管深度在5～20 m范围内效果最佳。

表4 采空区自燃三带划分标准

2.3.2 上隅角埋管布置方式

在对上隅角进行埋管抽放初期，埋管布置方式为单管布置，由于受现场条件及施工条件制约，不能够保证埋管位置一直处于上隅角采空区5～20 m范围内。经过多次摸索试验，确定采用错位埋管布置方式对上隅角采空区瓦斯进行抽放，即在上隅角采空区内铺设两趟抽采管路，两趟管路开口位置相距20 m，在每趟管路上间隔10 m设置一个三通阀门。抽采上隅角采空区内瓦斯时，先将埋入最深的一趟管路打开，当该趟管路进入采空区20 m以后，关闭第一趟管路并抽出，打开另一趟抽采管路进行抽放瓦斯，始终确保抽采管的端口在采空区5～20 m范围内，实现循环交替抽放上隅角瓦斯，并减少了材料消耗。工作面上隅角抽采管路布置图如图5。

图5 30401工作面上隅角埋管布置示意图（m）

3 应用效果分析

工作面采取综合瓦斯治理措施后，分别对本煤层抽采、高位钻孔抽采、上隅角埋管抽采瓦斯的抽采量、纯量、浓度进行计量统计，结果如表5。

表5 30401工作面瓦斯抽采情况统计

30401工作面生产期间监测的工作面上隅角和回风巷瓦斯浓度变化曲线图如图6。采取上述瓦斯综合治理技术后，工作面回采期间回风巷及上隅角瓦斯浓度一直低于0.5%，未发生过瓦斯超限事故。

图6 30401工作面上隅角瓦斯浓度变化曲线图

采用错位埋管布置方式对上隅角采空区瓦斯进行抽放后，通过安装在抽采管路上CO传感器对采空区内的CO浓度监测，在工作面回采期间CO传感器监测的数据始终为零，通过人工现场对上隅角CO进行测量，也始终未检测到CO。由此说明采空区瓦斯综合治理措施不会造成工作面采空区遗煤发生氧化自燃。工作面日产量也由原来2000 t/d提高到3000 t/d，工作面实现了安全高效生产。

4 结语

（1）工作面上隅角出现瓦斯积聚超限是制约30401工作面安全高效回采的主要因素，为了保证工作面安全高效生产，采取本煤层顺层钻孔抽放技术降低了工作面煤层中瓦斯含量，减少回采期间煤层中瓦斯集中涌出量，采取高位钻孔抽采和上隅角埋管抽放技术对工作面采空区内的瓦斯进行抽采，有效降低了采空区内瓦斯浓度，减少了采空区瓦斯涌出量，解决了上隅角瓦斯积聚超限问题。

（2）对采空区内气体成分监测结果及采空区自燃三带划分标准进行分析，确定30401综采工作面采空区自燃三带划分的范围分别为散热带0～27 m，氧化自燃带27～68 m，窒息带在68 m以后。为保证上隅角瓦斯抽采效果，同时减少采空区漏风量，确定上隅角埋管深度为5～20 m，并采用错位埋管布置方式对上隅角进行埋管抽放。

（3）现场应用实践结果表明，工作面采取瓦斯综合治理措施以后，上隅角及回风巷瓦斯浓度控制在0.5%以下，工作面回采期间未发生瓦斯超限现象，且采空区内未发生遗煤自燃现象，实现了安全高效生产。