综采工作面初采瓦斯治理技术研究

2022-11-01刘新礼

煤 2022年11期

刘新礼

(山煤国际能源集团股份有限公司煤业分公司，山西太原 030006)

瓦斯是制约矿井安全高效开采的主要因素之一，为加强瓦斯治理工作，研究瓦斯防治技术是矿井实现安全稳定生产的保障。当前大多数高瓦斯矿井多采用“Y”型通风方式，但这种通风方式在工作面初采期间常出现回风隅角瓦斯积聚的现象，对综采工作面的正常生产产生较大影响，因此有必要采取措施治理瓦斯[1-2]。

目前，国内外学者对高瓦斯矿井瓦斯治理技术进行了大量研究，周华东等人通过分析煤层上覆岩层覆存状态及采动破断规律，采用布置高抽巷方案治理初采期间瓦斯超限问题；侯永鹏等人针对高瓦斯综放工作面采空区瓦斯积聚问题，通过进行深孔预裂爆破断顶，实现采空区顶板及时垮落，避免瓦斯超限现象发生；吴仁伦等人通过对采空区瓦斯浓度分布规律进行了计算机模拟分析，采用顶板预裂措施解决工作面瓦斯超限问题[3-5]。

为有效控制综采工作面初采期间瓦斯积聚问题，本文以霍尔辛赫煤矿条件为背景，采用理论分析、现场试验方法对初采期间瓦斯治理技术进行了研究，从而为国内其他矿井在相似条件下的高效高产开采工作提供借鉴。

1 工程背景

霍尔辛赫煤矿为高瓦斯矿井，开采煤层主要为3号煤，煤层厚度平均为5.65 m.矿井采用分区式通风方式，共布置有3个进风井，2个专用回风井。根据《霍尔辛赫3号煤层瓦斯参数测定报告》，3号煤层瓦斯压力为0.30～0.44 MPa；原始瓦斯含量为7.29～8.69 m3/t；百米钻孔瓦斯流量为0.007 11～0.009 6 m3/(min·hm)，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.086 1～0.416 1 d-1，透气性系数为0.091 4～0.193 6 m2/(MPa2·d)；瓦斯放散初速度ΔP为12～18，煤的坚固性系数为0.46～0.47，孔隙率为2.13%～3.04%.

3305、3307工作面均为大采高沿空留巷工作面，采用两进一回“Y”型通风方式，即工作面两巷道均为进风巷道，在所留巷道内形成总回风，其通风系统如图1所示。3305工作面切眼长度为250 m，3307工作面切眼长度为220 m，煤层顶底板情况如图2所示，顶板岩层强度较高，属于坚硬顶板岩层。目前3305工作面已回采完毕，3307工作面巷道已完成掘进，即将进行回采。由于3305工作面在初采期间，工作面瓦斯出现多次超限情况，影响正常生产组织，为避免3307工作面回采期间瓦斯大量涌出，参考3305工作面回采与工作面初采期间的各项监测数据，对3307工作面瓦斯治理技术进行优化。

图1 工作面通风系统图

图2 工作面顶底板柱状图

2 初采瓦斯涌出特征分析

2.1 初采工作面矿压特征分析

3305工作面长度为240 m，共布置采用160台液压支架，支架型号为ZY12000/28/62D.采用液压支架监测系统对支架工作阻力进行监测，当工作面推进至31.7 m时，液压支架工作阻力出现了首次大幅增加情况，表明工作面此时出现了初次来压现象，来压步距为31.7 m，动载系数为1.86.后续工作面推进至49.7 m、71.5 m、90.8 m发生三次周期来压，来压步距平均为19.7 m，动载系数平均为1.79.

从3305工作面初采期间矿压特征可以看出，初采期间矿压显现强度较大，初次来压步距较长，对其原因进行分析可知，工作面基本顶为中砂岩，岩层厚度平均为6.4 m，普氏系数在6～9范围内，岩层强度较高。当工作面推进距离较小时，顶板岩层不容易垮落，因此容易出现采空区大面积悬顶情况，此时如果发生来压，将出现岩层大面积垮落情况，来压强度大，导致采空区瓦斯大量涌出，引发瓦斯超限现象。

2.2 初采期间瓦斯涌出特征

对3305工作面初采期间瓦斯分布特征进行分析，表1为工作面推进期间瓦斯含量情况。可以看出，正常回采期间，工作面风流中瓦斯含量较低，上隅角瓦斯含量较高，但仍处于可控范围内。当工作面发生来压时，工作面风流中瓦斯含量明显增加，随后缓慢降低，上隅角瓦斯含量在来压后处于较高水平，下降速度较慢，同时留巷回风风流中瓦斯含量明显上升。因此，工作面来压时造成瓦斯超限的主要原因，需采取有效措施，降低来压强度。

3 瓦斯治理技术研究

3.1 深孔预裂爆破放顶技术

由于工作面初采阶段时，采空区顶板垮落等情况会造成采空区瓦斯突然涌出，导致工作面及隅角瓦斯超限，因此在初采阶段，采取工作面切眼深孔爆破强制放顶技术，有利于顶板顺利垮落，不产生悬顶垮落而造成的飓风、压架等灾害事故，缩短初次来压步距，避免来压动载过大[6]。

表1 工作面推进距离与瓦斯含量关系

采用深孔预裂爆破技术对3307工作面顶板进行放顶，在工作面初采前，利用抽采钻机在工作面切眼顶板上部施工爆破炮孔，炮孔直径为76 mm，与水平夹角为45°，由于基本顶岩层深度在顶板上3.2～9.6 m范围内，因此炮孔垂直深度为10 m，炮孔深度为15 m，炮孔装药深度为4～15 m，长度为11 m.距采空区侧煤壁1 m处布置1排预裂炮孔，间距为3 m，切眼内共布置82个炮孔。采用乳化炸药进行爆破，药卷直径为60 mm.工作面初采推进至将要出切眼位置时，工作面停止生产，对工作面切眼顶板集中进行预裂爆破，爆破施工完成后，工作面正常组织推进。

3.2 本煤层顺层钻孔抽采技术

本煤层顺层钻孔抽采技术主要在工作面开采前进行，顺层钻孔主要包括巷道内抽采钻孔与切眼抽采钻孔。根据3307工作面产量，依据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》，工作面在回采前瓦斯煤层可解析瓦斯含量不得超过4.5 m3/t.

1) 巷道预抽钻孔。在距离切眼200 m处两巷道内开始施工钻场，钻场间距设计为200 m，在钻场内向工作面范围内施工顺层预抽钻孔，钻孔深度为50～150 m，直径为113 mm，每个钻场可覆盖采面200 m.

2) 切眼抽采钻孔。从切眼巷道内向工作面方向施工倾向钻孔，钻孔施工按照切眼掘进顺序分为掘进和起底两个阶段，每个阶段各施工1排钻孔。为了避免切眼钻孔施工破坏工作面巷道预抽钻孔，切眼两侧各留20 m不进行钻孔施工。为强化抽采工作面中部瓦斯，将切眼设计区域分为三部分，分别为左侧65 m、中部50 m、右侧65 m.切眼两个阶段钻孔施工参数如下：

掘进阶段：切眼内施工单排钻孔，开孔距底板1.4 m，两侧各65 m区域钻孔间距为2.5 m，中部60 m区域钻孔间距为2.0 m，钻孔与煤层方向平行，长度为150 m.

起底阶段：切眼内施工单排钻孔，开孔距底板1.4 m，两侧各65 m区域钻孔间距3 m，中部60 m区域钻孔间距为2.5 m，钻孔与煤层方向平行，长度为150 m.