旬耀矿区工作面初采初放瓦斯治理措施探讨

关景顺，刘 扬，张 辉，李小波，刘 飞

(1.陕西旬邑青岗坪矿业有限公司，陕西 咸阳 712000；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

0 引言

回采工作面上隅角瓦斯超限问题一直是高瓦斯矿井面临的难题，而采空区瓦斯是造成工作面回风隅角瓦斯超限的主要原因之一[14]。尤其是初采期间，工作面后方采空区顶板呈现“简支梁”结构分布，采空区顶板不易垮落，容易造成采空区出现一定范围悬顶的现象，当顶板发生大面积垮落时，采空区内瓦斯会在短时间内被挤压涌向工作面，从而使上隅角瓦斯浓度超限[58]。为此，以旬耀矿区煤层厚度大的高瓦斯矿井为背景，对综放工作面初采初放期间的瓦斯治理措施进行针对性探讨，以期为周边矿井的瓦斯治理提供一定参考。

1 工作面概况

42108综放工作面地面标高为+1 387～+1 543 m，工作面设计标高为+985～+1 055 m，地面相对位置位于副井工业广场西北山区内，地面为山地林区，其西部为采区3条大巷，北部为实体煤，南部为42106工作面采空区，东部为井田边界。42108工作面倾向长度为150 m，可采走向长度为1 505 m，煤层平均厚度为12 m，煤层瓦斯含量为2.13～2.92 m3/t。回采工艺为综采放顶煤开采，采煤方法为走向长壁式釆煤法，全部垮落法管理顶板。

42108综放工作面直接顶为泥岩，厚度约1.0 m，黑灰色，含大量植物化石碎片。老顶为深灰、黑灰色粉砂岩和中粒砂岩，厚度约为10.5 m，具波状层理，底部含大量植物碎片，中部夹细砂岩薄层。直接底为黑色炭质泥岩，厚度约3.13 m，含丰富的植物根化石，遇水易膨胀，易软化，易发生底鼓变形，为软弱岩石。老底为紫灰、紫红等杂色泥岩，厚度约3.35 m，易风化破碎，具滑面，见水膨胀。

2 初采初放瓦斯治理措施

2.1 增大工作面进风量

依据《矿井瓦斯涌出量预测方法》[9]，预测回采时工作面绝对瓦斯涌出量为15.71 m3/min。为保证加强工作面初采初放期间的瓦斯治理，生产时工作面风量至少调整至2 000 m3/min，该风量对控制回风隅角和工作面后溜子空间瓦斯也有较好的保障作用，具体风量应根据现场的瓦斯情况进行调整。在老顶垮落后，应时刻注意回风隅角附近瓦斯浓度的变化，若有升高趋势，则需要适当下调进风量，防止因风量过大导致漏风量加大，造成过多的采空区瓦斯溢出。

2.2 瓦斯抽采措施优化

2.2.1 顶板走向岩石钻孔抽采

在42108回风顺槽内斜向上按30°起坡施工高位钻场，确保整个钻场位于全砂岩中，在1#高位钻场内施工顶板走向岩石钻孔。以往高位钻场施工16个顶板走向岩石钻孔，钻孔终孔点距4-2号煤层顶板高度范围为15～30 m。由于初采初放期间工作面顶板不易垮落导致裂隙发育不完全，优化1#高位钻场顶板走向岩石钻孔的设计参数，将1#高位钻场钻孔抽采覆盖范围调整为顺槽方向100 m，工作面方向75 m的区域，回风隅角区域设计5个钻孔，钻孔终孔点设计超过42108工作面切眼5 m，且钻孔终孔点距煤层顶板垂直距离调整为-5～15 m，其目的是在顶板完全垮落之前，利用优化后的顶板走向岩石钻孔通过裂隙抽采未垮落完全的采空区上部瓦斯[1012]。同时，由于该钻场钻孔层位较低，施工时受钻杆下沉影响，若终孔位置能与采空区导通(终孔从顶板向下穿出)，对采空区瓦斯进行直接抽采，可改变采空区内气体流场状态，减少瓦斯从回风隅角处的涌出量，可有效地降低初采初放期间回风隅角瓦斯浓度。42108回风顺槽1#高位钻场顶板走向岩石钻孔设计平面图如图1所示。

图1 1#高位钻场顶板走向岩石钻孔设计平面图Fig.1 Design plan of 1# high drilling site roof strike rock drilling

2.2.2 强化煤层瓦斯抽采

由于初采初放期间采空区顶板不易垮落，造成工作面与采空区形成良好的漏风通道，工作面割煤产生的瓦斯大量涌入采空区。同时，采空区遗煤产生的瓦斯在通风负压的作用汇集到回风隅角区域造成回风隅角瓦斯浓度偏高，降低工作面煤体原煤瓦斯含量可大大降低割煤时及采空区瓦斯涌出量，对解决回风隅角瓦斯浓度偏高的问题具有较好的作用[13]。因此，在42108工作面两顺槽距离切眼约100 m处各开设1个钻场施工本煤层钻孔，对初采初放期间待回采煤体进行针对性强化预抽。设计在42108进风顺槽距离切眼97 m处和利用42108回风顺槽1#高位钻场斜巷中施工煤层钻场，在钻场内施工扇形钻孔，与顶板走向岩石钻孔形成立体式抽采模式，加强顺槽侧至工作面中部，钻场至切眼区域的瓦斯抽采效果，具体钻孔布置如图2所示。

图2 42108工作面切眼附近强化抽采钻孔设计平面图Fig.2 Plan view of drilling design for enhanced extraction near the cut hole in 42108 working face

2.2.3 采空区埋管抽采

42108综放工作面初采初放前必须将一趟φ300 mm的低负压抽采管路全部安装到位，具备抽采条件。当工作面推进5 m后，从主管路引出一路φ300 mm管路埋入采空区，该管路一直埋入采空区内并保持抽采，称之为深埋管。当深埋管进入采空区6 m后，从低负压主管路引出一路φ300 mm管路，该管路埋入采空区，开启抽采。当该管路进入采空区6 m后，在巷道内从该管路上引出一路φ300 mm管路，开始埋入采空区，采空区内埋管实现12 m与6 m的交替循环，并且始终保持2路管路同时抽采，管路埋入采空区的距离可根据实际效果进行调整。所有埋管管路末端都要竖立“T”型立管(竖管高度距离巷道顶板0.5 m以内)，并用钢丝网护住管口。采空区埋管示意图如图3所示。

图3 采空区埋管抽采示意Fig.3 Schematic diagram of buried pipe extraction in goaf

2.3 采煤方面

初采初放期间进风顺槽和回风顺槽砌筑封堵墙封堵漏风，砌墙时一定要做到上接顶、下接底、一侧紧贴煤壁，每隔10 m施工一组封堵墙，进风顺槽封堵墙主要作用是减少工作面向采空区的漏风，回风顺槽封堵墙主要作用是减少采空区向回风隅角漏风。临时垛墙需要时刻保持完整状态，每班用袋装珍珠岩粉垒砌，每堵墙横向至少由2～3层编织袋垒砌，保证严密不漏风。同时，严格落实进风和回风隅角退锚措施，以确保采空区顶板及时垮落。

3 瓦斯治理效果分析

2020年12月初42108工作面开始试生产，统计了工作面生产40 d的回风瓦斯浓度、风排量、抽采量和涌出量等相关数据，如图4、5所示。

图4 42108工作面回风瓦斯浓度变化曲线Fig.4 Variation curve of gas concentration in return air of 42108 working face

图5 42108工作面风排量、抽采量和涌出量变化曲线Fig.5 Variation curve of air displacement，extraction volume and gushing volume of 42108 working face

由图4和图5可以看出，42108工作面实际最大绝对涌出量为15.18 m3/min，与预测值相差不大；回风瓦斯浓度在回采初期最大，随着瓦斯抽采量的增大，回风瓦斯浓度逐渐稳定在0.2%～0.25%之间；瓦斯抽采量和瓦斯涌出量均随着采空区遗煤增多而逐渐增大；风排瓦斯量变化较稳定，最大值为4.78 m3/min，满足《陕西省煤矿瓦斯防治十条规定》中回采工作面风排瓦斯量不得超过5 m3/min的要求。

4 结论

(1)针对回采工作面初采初放期间顶板不易垮落的特点，优化了首个高位钻场顶板走向岩石钻孔的设计参数，确保了初采初放期间具有较好的瓦斯抽采效果。

(2)立足旬耀矿区煤层厚度大的现状，采取强化瓦斯抽采措施，利用中位煤层钻场瓦斯抽采钻孔与高位钻场顶板走向岩石钻孔形成立体式抽采模式，降低了回采工作面割煤期间的瓦斯涌出量。

(3)通过对初采初放期间回风瓦斯浓度和风排瓦斯量的统计分析，发现风排瓦斯量的最大值为4.78 m3/min，满足《陕西省煤矿瓦斯防治十条规定》的要求，证明了初采初放期间采取的瓦斯治理措施的可行性，为周边矿井瓦斯治理提供了一定的参考。