沿空留巷综放工作面瓦斯综合治理技术应用

郭四龙

（山西兰花科技创业股份有限公司伯方煤矿分公司，山西 高平 048400）

为了提高资源回收率，缓解采掘接替紧张局面，多数现代化矿井采取沿空留巷的方式为备采工作面做准备。这样虽然解决了突出矿井掘进时间的影响，但回采过程中留巷段巷道因风量不足，造成瓦斯浓度升高，且由于采空区瓦斯漏风涌入采面回风流，而造成工作面及其回风流中瓦斯波动和积聚的风险依然存在[1]。如何有效采取措施，提高巷道内风量与瓦斯抽采浓度，值得进一步研究。本文以伯方煤矿3205 综采工作面为例，在沿空留巷工作面采用“Y 型”通风的方式，增加进风量，优化采空区防漏风设计[2]，同时提出对采空区瓦斯进行插管抽采、顺层钻孔抽采、穿层钻孔抽采等综合瓦斯治理措施，以多样方法提升钻孔瓦斯抽采浓度，确保采面安全回采，取得了显著效果。

1 工作面概况

3205 综放工作面位于伯方煤矿二盘区运输大巷西翼，北邻3207 工作面，南邻3203 工作面，东翼为二盘区轨道、回风大巷联络巷。3205 工作面沿走向布置，走向长1 384 m，切眼沿倾向布置，长度为157 m。工作面主采3#煤层，煤层倾角为2°～6°，为近水平煤层，煤厚平均5.31 m。3#煤层直接顶为厚度5.51 m 的灰黑色粉砂岩，老顶为厚度4.51 m 的中粒砂岩，直接底为厚度1.76 m 的灰黑色细粒砂岩，老底为厚度4.53 m 的薄层状砂质泥岩。伯方煤矿主采3#煤层为Ⅲ类不易自燃煤层，煤尘不具有爆炸危险性。经过煤层瓦斯取样鉴定与实际测算，采面最大绝对瓦斯涌出量7.78 m3/min，上下巷掘进期间最大瓦斯涌出量为0.46 m3/min。测得百米钻孔瓦斯流量0.0441L/min·hm，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.017 3～0.019 2 d-1，煤层透气性系数为0.26～0.31 m2/MPa2·d。

2 沿空留巷瓦斯综合治理方案

2.1 防采空区漏风设计

为减少回采期间的采空区一侧漏风，避免采空区瓦斯大量涌入工作面隅角和回风流，造成巷道内瓦斯超限或积聚，在沿空留巷段采空区一侧使用可伸缩性U 型钢腿沿切顶线进行打设，钢腿之间使用连板与螺丝进行整体连接固定，在U 型钢腿背面铺设两层平焊金属网，利用铁丝捆扎固定于棚腿上，在两层平焊网之间平铺截取好的整块风筒布，从巷顶到巷底实现全覆盖封闭，封闭效果如图1 所示。

图1 沿空留巷段采空区封闭效果

为了避免采空区顶板裂隙形成导风通道，在采取架棚+ 风筒布封闭的措施后，使用阻化剂以及阻燃喷涂材料，对U 型棚腿顶底板搭接处及风筒布进行全断面喷洒，有效充填裂隙区域，提升了防漏效果。

2.2 采空区瓦斯抽采治理

（1）顺层钻孔瓦斯预抽技术。在3205 工作面运输巷、回风巷向工作面煤壁方向，以垂直煤壁各偏移6°～8°左右施工顺层长钻孔，根据煤层倾角2°～6°的自然条件，设计钻孔倾角为3°～4°，在施工过程中以实际见煤岩情况随时可调整钻孔倾角。此外，为保证钻孔覆盖工作面全部范围，设计上下向钻孔深度均为90 m（切眼长度157 m），预留一定终孔深度的压茬区域，杜绝瓦斯预抽空白带。钻孔选取钻头直径为94 mm，钻杆直径为89 mm，沿煤层中部开孔，钻孔间距为1.5 m。

钻孔施工结束后，根据“两堵一注”的工作要求，采用技术较为成熟的带压封孔工艺，利用封孔囊袋、聚氨酯等材料进行膨胀封堵，然后将搅拌好的水泥浆注入筛管壁，实现封孔管的彻底固定，以此提高瓦斯抽采率和流量纯度。封孔管深度为24 m，要求注浆压力不小于1.5 MPa，以返浆效果为准。

封孔结束后，单一顺层钻孔与抽采支管以三通或直角两通相连接，每根支管最多可连6～8 个顺层孔，避免连接过多钻孔而降低单孔的抽采负压。每间隔一段支管路，要在支管与巷道内主管路的连接处安装放水器和排渣器，便于将管路内抽集出的积水和煤粉及时排除，避免堵塞管路后对负压稳定性造成影响[3]。在主管路上设置多组监测装置传感器，对瓦斯抽采流量、浓度、温度、抽采负压、CO 气体浓度等重要参数进行实时监测，如图2所示。

图2 顺层钻孔封孔连接

（2）通风方式优化。沿空留巷工作面一般采用“Y”型通风的方式，由工作面运输巷作为主要的进风巷道，待回采段回风巷作为辅助进风巷，而沿空留巷段与总回风巷相连通，作为主要回风巷道，形成独立的通风系统。根据工作面回采期间的实际瓦斯涌出情况，还可以通过调整供风量的方式，控制回风巷内的风排瓦斯量，以此确保不会出现瓦斯涌出波动和超限现象。

（3）沿空留巷预埋管瓦斯抽采。随着工作面推进，将3205 工作面回风巷掘进期间铺设的抽放管路进行复用，考虑到初采初放老顶来压步距[4]，在采面开始回采10～15 m 后启用铺设的抽放管，避免过早使用采空区内插管被垮落矸石砸坏，影响抽采效果。对原φ219 mm 管路改造后，在起始段每间隔6 m 安装一组同等直径的φ219 mm 抽采支管插入采空区内，插管长度为0.3 m，吊挂高度距离巷道顶板不大于0.15 m；连续安装三组插管后，调整插管间距为24 m 一组。随着工作面回采，具体安装位置可根据回采期间的实际煤厚变化、管路瓦斯抽采浓度变化、采空区实际垮落后的裂隙发育变化等适当调整插管间距[5]，以确保达到最优化抽采效果。

插管时需要将挡矸侧金属网用钢绞钳剪开，埋管后管口末端安装法兰盘，便于与主管路连接。为了确保良好的封闭性，在埋管后需要对留巷侧进行喷浆，防止采空区瓦斯外溢。插管效果如图3所示。

图3 沿空留巷预埋插管效果

（4）穿层钻孔卸压抽采技术。在3205 工作面回风巷一侧沿回采煤壁方向向煤层顶板施工高位穿层钻孔，利用瓦斯密度小、易在上方积聚的特点，高位钻孔可以有效抽采采空区顶板积存的瓦斯，以及上覆煤层受到下层煤层回采扰动影响涌出的瓦斯，从而实现穿层瓦斯治理的效果，防止采空区瓦斯积聚造成瓦斯超限事故的发生[6]。具体施工参数如表1 所示。

表1 高位钻孔施工参数

施工高位钻孔时，每间隔20 m 打设一组，每组布置6 个钻孔，共设计10 组，钻孔间距为1.5～2 m，施工总孔数为60 个。根据实际打设情况和瓦斯抽采浓度情况，可以适当增加钻孔数量。高位钻孔设计如图4 所示。

图4 高位钻孔施工布置

由于伯方煤矿属于多煤层开采，在3205 工作面回采期间，考虑到下邻近层瓦斯涌出的异常影响，为了拦截瓦斯涌入到采空区，在施工高位钻孔的基础上，向3#煤层底板按照表1 相关参数施工底板抽采钻孔，实现截留抽采的目的，钻孔布置如图5 所示。

图5 底板穿层预抽钻孔布置

3 瓦斯抽采评价与治理效果

为评价3205 工作面回采期间在采取综合瓦斯治理措施后的效果，在回风流滞后采面10 m 处抽放管路上安装一组瓦斯在线监测装置，用以监测、统计瓦斯浓度、流量、温度等数据，具体监测数据如表2 所示。

表2 钻孔实测瓦斯指标数据

经过实测回采工作面回采期间回风流瓦斯浓度最高为0.31%，相较于工作面U 型通风方式瓦斯浓度降低约54.7%，如表2 中实测数据，多种抽采方式测得的瓦斯浓度均超过10%，达到预期瓦斯抽采目的。

4 结论

1）将3205 回采工作面原U 型通风方式调整为沿空留巷段为“Y 型”通风的方式，增加了工作面供风量，降低了在回采期间回风流的风排瓦斯浓度，结合在采空区一侧打设U 型棚腿+ 金属网+风筒布的综合措施，降低了留巷段采空区的漏风量，避免了采空区瓦斯的大量涌出。

2）利用增加钻孔施工数量，以本煤层顺层钻孔施工及采空区预埋管抽放的方法，提高了回采煤层的瓦斯抽采率；以穿层钻孔施工的方法，提高了相邻煤层的瓦斯抽采浓度，降低了瓦斯经过采空区垮落裂隙向回采工作面大量涌入的风险，确保回采工作面不发生瓦斯积聚和超限事故。

3）经过瓦斯综合治理措施的实践验证，3205综放工作面回采期间管路抽采浓度可保持在10%以上，减缓了瓦斯抽采的衰减速度，瓦斯治理取得了显著效果。