综采工作面瓦斯综合治理技术研究

2022-09-14孟雪敏

山东煤炭科技 2022年8期

孟雪敏

（晋能控股集团挖金湾煤业公司，山西大同 037000）

瓦斯作为威胁矿井安全生产的重要制约因素，由于瓦斯赋存与流动不具有固定的规律性，瓦斯防治困难重重。目前，多数矿井采取的措施包括施工顶底板预抽巷进行穿层钻孔消突，本煤层施工顺层钻孔消突，顺层与穿层形成空间网格化消突等。此外，针对采煤工作面常采用高位钻孔+高位钻场+上隅角埋管抽放等方式进行瓦斯管理，根据不同煤层厚度与煤层、岩层裂隙发育程度以及煤层透气性等物理特征采取多种手段进行瓦斯抽放[1-4]，从而达到预期的治理效果。

1 工作面概况

挖金湾煤业公司8101 工作面主采4#煤层，工作面位于一盘区的西翼北部，其南部为一盘区的北回风巷和主运输巷，东翼相邻5103 巷，北西部为未采区。该工作面上部为14#煤层，对应地层侏罗系古窑采空区，且两层煤之间的层间距346～354 m。8101 工作面沿走向布置，设计长度850 m，切眼沿倾向布置，设计长度152 m。4#煤层在采面内平均厚度为3.27 m，含有2～3 层互叠层夹矸，夹矸厚度0.05～0.5 m 不等，煤层结构较为简单。工作面采用U 型通风方式，回采时一次采全高，采空区采用全部垮落法进行管理，上隅角瓦斯进行埋管抽放。

2 工作面瓦斯特性

根据工作面瓦斯含量测定及相邻工作面瓦斯特性综合分析，8101 工作面计划日产量达到2750 t，回采期间相对瓦斯涌出量8.9 m³/t，绝对瓦斯涌出量59.61 m³/min。工作面在形成初期通过取样采集实测的原始瓦斯含量为9.4～11.5 m³/t，瓦斯压力值为0.64～0.71 MPa，煤层具有突出危险性。且4#煤层的透气性系数仅为0.05～0.20 m2/MPa2·d，瓦斯放散初速度q指标为18.10～19.10 mmHg，煤层孔隙率为6.58%～6.86%，根据煤层瓦斯特性和地质条件分析，4#煤层瓦斯具有较好的可抽采性。因此，为提高煤层瓦斯的抽采效果，制定“压裂井钻孔+本煤层顺层钻孔+高排巷钻孔抽采”的空间网格化钻孔布置形式，确保达到最佳瓦斯抽采率。

3 瓦斯综合治理方案设计

3.1 压裂井钻孔设计

根据8101 工作面布置与对应地表位置关系，在地表共设计14 个压裂抽采钻孔。结合类似地质条件和煤层透气性条件下的抽采钻孔分析，单孔瓦斯抽采半径可以达到45～55 m 左右。通过地面钻孔压水后的压裂效果，可以有效提高煤层的裂隙发育程度，增强透气性，促进瓦斯的空间流动。通过压裂钻孔的施工，对瓦斯抽采效果进行前后分析对比，累计抽采量达到了197 万m3，释放抽采达标煤量68 万t。对瓦斯抽采效果进行钻孔验证后，吨煤瓦斯含量降低到0.22 m3/ t。压裂井钻孔平面布置示意图如图1。

图1 压裂井钻孔平面布置示意图（m）

3.2 本煤层顺层钻孔设计

本煤层顺层抽采钻孔布置在8101 工作面的皮带运输巷和回风巷内，沿着回采煤体一侧打设。由于切眼长度设计为152 m，为减少中间留设过多的空白区域，提高条带钻孔的施工质量，将钻孔普遍设计向切眼方向偏转8°，孔深调整为90 m，确保两巷钻孔终孔位置能够留有不小于10 m 的抽采压茬重叠区域，提高抽采效果。

（1）8101 工作面进回风巷内钻孔设计采用单排孔施工，由于平均煤厚为3.27 m，且煤层透气性较好，单孔抽采半径确定为1.2～1.5 m，钻孔间距设为2 m，距底板高度为1.6 m 开孔，预留1 m 的抽采条带。根据已探查的地质条件和煤层赋存厚度，在煤厚超过4 m 的区段，增加施工一排补充抽采钻孔，上下排孔间距为0.8～1 m，对煤层增厚区域进行消突，减少空白条带的留存。此外，为了避免中间压茬段钻孔出现穿孔，降低钻孔瓦斯抽采效果，根据煤层赋存的自然倾角，将回风巷一侧钻孔设计倾角为-4°左右，将标高稍低的皮带运输巷一侧设计钻孔倾角为+2°，预留终孔高差在0.5～0.8 m 之间。顺层钻孔布置剖面图如图2。

图2 顺层钻孔布置剖面图（m）

（2）钻孔孔径选用直径73 mm 的钻杆，配备直径94 mm 的钻头。当钻孔施工到位后及时退钻，若发现孔内煤层有塌孔现象时，需要及时套孔，或者将钻孔注浆封堵后，平移钻机重新开孔，以防钻孔抽采漏气，影响抽采效果。当钻孔确认完好后，使用PVC 材质的封孔筛管进行全程下设，前段使用带有透气孔洞的花管，便于防止塌孔后造成管子堵塞，影响抽采。全部下设到位后，在孔口处使用聚氨酯封孔液进行充填封堵，从而实现钻孔的有效抽采。

（3）在工作面回采后期，为避免临近停采线附近的煤层因为钻孔偏角问题造成的未消突区域存在，在靠近停采线区域的60 m 范围内，实现进回风巷钻孔的交叉施工覆盖，即皮带运输巷（进风巷）钻孔垂直巷帮施工，回风巷钻孔调整为向外段偏转8°施工，从而实现钻孔交叉覆盖。8101 工作面本煤层顺层钻孔抽采设计如图3。

图3 8101 工作面本煤层顺层钻孔抽采设计图（m）

3.3 高排巷钻孔抽采

高排巷是利用施工高位巷道层位优势，在巷道正头施工回采煤层的顶板岩巷钻孔，向采空区垮落带方向进行下管预抽，主要用于治理上隅角及工作面上端头采空区瓦斯。由于瓦斯密度较小，容易在上隅角采空区积聚，因此，通过合理设计、施工高排巷钻孔可以有效解决采空区瓦斯抽采问题，降低涌入上隅角的瓦斯浓度，避免瓦斯超限事故发生。高排巷掘进层位选择在煤层顶板上方5～10 m 左右的粉砂质泥岩层，该层位岩性稳定，不易受到采空区冒落影响而降低钻孔抽采效果。为避免因施工长钻孔造成较大偏斜，影响误差精度，根据钻机实际功率等因素综合考虑，将高位钻场间距调整为60 m，即每间隔60 m 施工一条高排巷钻场，便于施工高位钻孔，钻场规格为长×高×深=4 m×4 m×4 m，采空区方向高位孔设计每组7 个，终孔间距控制在垂高2 m 左右。高排巷钻场钻孔施工示意图如图4。

图4 高排巷钻场钻孔施工示意图（m）

4 瓦斯抽采效果分析

根据8101 工作面采取的综合瓦斯治理方案，通过流量监测系统和现场生产期间的瓦斯涌出量观察分析，工作面在采取单一压裂井钻孔抽采时，瓦斯抽采浓度为47.3%；在回采期间结合本煤层顺层钻孔对瓦斯抽采后，回风总管路监测系统显示抽采浓度提升到55.6%，上隅角瓦斯浓度为0.48%；在施工高排巷钻孔抽采瓦斯后，形成综合网格化瓦斯抽采效果，回采期间由于本煤层抽采和高位孔对采空区抽采瓦斯后，上隅角浓度降低到0.32%，回风总管路瓦斯浓度提升到59.2%。通过单一采集数据和综合量化对比，通过网格式空间抽采治理模式，工作面煤层瓦斯得到最大化抽采，有效降低回风流和采空区瓦斯积聚的可能性。