裕兴煤矿综采工作面综合抽采瓦斯技术应用

孙慧卿

（晋能控股煤业集团安全督查大队，山西 大同 037000）

1 工程概况

裕兴煤业有限公司隶属晋能控股煤业集团，矿井设计生产能力为0.9 Mt/a，主采15#煤层，属于高瓦斯矿井。15203 综采工作面位于该矿井二采区北翼，开采煤层平均厚度为4.4 m，煤层赋存较为稳定，工作面设计倾斜长240 m，走向长750 m，回采工艺为综合机械化采煤工艺。在15203 综采工作面回采前，通过分源预测法预测工作面回采期间瓦斯相对涌出量和绝对瓦斯涌出量分别为7.50 m3/t 和10.28 m3/min。因此，为降低工作面煤层瓦斯含量，减小回采期间瓦斯涌出量，在工作面开采前及回采期间需采取针对性瓦斯综合治理措施对工作面瓦斯进行治理[1-3]。

2 工作面瓦斯综合治理技术措施

2.1 工作面瓦斯治理措施选择

结合15203 工作面煤层瓦斯地质条件及现场实际情况，工作面开采前，采取在工作面进风巷和回风巷施工顺层钻孔抽采工作面煤层瓦斯，使工作面煤层瓦斯含量减少至4.2 m3/t 时才有可能保证工作面回采过程中瓦斯涌出量低于5 m3/min；工作面在回采期间，还需采取施工顶板高位穿层钻孔对工作面采空区瓦斯进行抽采和在工作面回风隅角埋管对回风隅角瓦斯进行抽放等措施来治理工作面瓦斯，确保工作面安全回采。

2.2 顺层钻孔预抽工作面煤层瓦斯

在工作面开采前，采用ZYL-6000 型煤矿用履带式全液压定向钻机分别在工作面进风顺槽和回风顺槽施工顺层抽采钻孔，设计钻孔直径为80 mm，孔深140 m，自工作面开切眼位置向外5 m 位置开始施工，钻孔开孔位置距巷道底板1.5 m，垂直煤壁施工，钻孔水平间距为5 m，封孔长度不低于8 m。15203 工作面进风、回风顺层钻孔布置方式如图1 所示。

2.3 工作面顶板高位钻孔瓦斯抽采

结合相关高位抽放巷抽采瓦斯经验及现有钻机钻进能力，在工作面回采过程中，根据工作面实际情况，设计施工顶板高位钻孔对工作面采空区瓦斯进行抽采。

（1）钻场设计

结合工作面巷道实际布置情况，设计将钻场布置在工作面回风巷，钻场间距为50 m，钻场开口时沿巷道底板垂直煤壁以30°的坡度向上施工斜巷，斜巷断面为高×宽=2 m×3 m，当掘进进入煤层顶板2 m 后沿着煤层顶板水平方向施工平巷，平巷断面为高×宽=3 m×5 m，平巷长度为6 m，作为高位钻孔施工的钻场，钻场具体布置如图2（a）所示。

图2 顶板高位钻场和钻孔布置

（2）高位钻孔设计

在每个钻场内设计布置4 个高位抽采钻孔，具体钻孔设计施工参数如表1 所示，钻孔布置方式如图2（b）所示。

表1 高位抽采钻孔设计施工参数

（3）钻孔封孔工艺

在高位抽采钻孔施工完成后，采用 “两堵一注”封孔工艺对高位钻孔进行封孔[4-6]，即分别采用聚氨酯和囊袋等封孔材料在距离钻孔孔口1 m 和18 m 位置分别对钻孔进行封堵，封堵完成后使用膨胀水泥和水按照水灰比为1∶0.7 的比例配置水泥浆液向封孔段进行注浆，注浆作业时注浆泵压力设置为2 MPa，封孔长度为12 m。钻孔封孔方式如图3 所示。

图3 15203 工作面高位抽采钻孔封孔

2.4 回风隅角埋管抽放

由于工作面采用上行通风方式，回风隅角容易积聚瓦斯。

为防止工作面回风隅角瓦斯超限，在工作面回风巷内靠近巷帮位置安装一趟φ250 mm 镀锌钢管抽采回风隅角瓦斯，每间隔30 m 在管路上设置一个三通阀门，在每个阀门上部安装一根长度为1.5 m 的立管，在距回风隅角最近的一个三通阀门处将一根φ108 mm 的钢丝软管与回风巷抽采管路进行连接，钢丝软管长30 m，在其末端安装瓦斯抽采器埋入回风隅角采空区内。同时为提高回风隅角瓦斯抽采效果，使用编织袋装煤矸石或胶囊充气袋对回风隅角进行密闭封堵。回风隅角埋管抽采方式如图4 所示。

图4 回风隅角瓦斯抽放管路布置

3 应用效果分析

3.1 顺层钻孔预抽煤层瓦斯效果分析

顺层钻孔抽采瓦斯期间，采用在线监测和人工现场计量的方式对工作面进风巷和回风巷顺层钻孔抽采瓦斯的浓度和纯量进行监测计量，根据监测计量结果绘制曲线如图5 所示。

图5 顺层钻孔抽采瓦斯浓度和纯量与时间关系变化曲线

分析图5 可知，15203 工作面进风、回风巷在执行顺层钻孔预抽煤层瓦斯阶段，进风巷顺层钻孔抽采的瓦斯浓度范围为2.3%～17.3%，抽采瓦斯纯量为0.005～5.96 m3/min； 回风巷顺层钻孔抽采的瓦斯浓度范围为6.5%～45.4%，抽采的瓦斯纯量为0.004～7.95 m3/min。根据以上监测数据分析可知，虽然抽采的瓦斯浓度和纯量值都不是很高，但由于在工作面开采前就开始抽采作业，抽采时间达到6 个月以上，抽采时间较长，因此该措施对治理工作面煤层瓦斯仍有较好效果。在工作面回采前，对工作面煤层残余瓦斯含量进行再次测定得出已降低至3.5 m3/t 以下，达到了预期效果。

3.2 高位钻孔及埋管抽放瓦斯治理效果分析

15203 工作面回采期间回风巷及回风隅角瓦斯浓度变化情况如图6 所示。

图6 15203 工作面回采期间回风隅角及回风巷瓦斯浓度变化曲线

分析图6 可知，15203 工作面回采过程中通过采取高位顶板钻孔抽采和回风隅角埋管抽采瓦斯措施后，在工作面回采过程中，回风隅角瓦斯浓度控制在0.32%～0.48%之间，回风流中瓦斯浓度控制在0.18%～0.35%之间，回风隅角及回风流中的瓦斯浓度均低于规程规定的瓦斯报警警戒值1.0%，由此可知15203 工作面回采过程中，顶板高位钻孔和回风隅角埋管抽放瓦斯技术措施对工作面瓦斯治理起到了良好效果，回采期间未发生过瓦斯超限事故，工作面实现了安全高效生产。

4 结语

结合裕兴煤矿15203 工作面煤层瓦斯地质情况，提出工作面回采前采用顺层钻孔预抽煤层瓦斯和工作面回采期间采用顶板高位钻孔及回风隅角埋管抽采采空区和回风隅角瓦斯相结合的综合瓦斯治理措施，并根据工作面现场实际情况，对顺层钻孔和顶板高位钻孔具体施工技术参数进行了设计，通过对工作面顺层钻孔抽采瓦斯纯量和浓度及回风隅角和回风流中瓦斯浓度变化情况进行分析可知，工作面回采过程中回风隅角及回风流中最大瓦斯浓度分别为0.48%和0.35%，工作面回采过程中未发生过瓦斯超限事故，实现了安全高效生产。