综采工作面瓦斯综合治理技术优化及应用

杜 明

（晋能控股集团有限公司应急指挥中心，山西 大同 037001）

1 8309 工作面概述

塔山煤矿三盘区8309 工作面位于井田西翼，工作面为南北走向布置，东部为5310 巷（已掘进到位），西部为井田边界，南部为西翼胶带大巷，北部为西翼运输巷[1-2]。

8309 工作面回风顺槽长度为950 m，运输顺槽长度为964 m，切巷长度为185 m，顺槽及切巷沿4 号煤层底板布置。工作面回采的4 号煤层总厚度为3.58 m，有效厚度为3.27 m，煤层内含砂质泥岩夹矸2 层，煤层顶底板岩性如表1 所示。

表1 山4 号煤层顶底板岩性表

8307 工作面瓦斯绝对涌出量14.66 m3/min，相对涌出量5.36 m3/t。工作面采用U 型通风系统，工作面设计供风风量为1 787 m3/min。工作面回采至150 m处时，工作面内上隅角、机道以及总回风流中瓦斯浓度出现异常，实测上隅角平均瓦斯浓度（体积分数，下同）为1.2%，回风流平均瓦斯浓度为1.5%，总回风流中平均瓦斯浓度为2.1%，对工作面回采影响大[3]。

2 工作面通风系统优化

由于传统U 型通风时上隅角出现窝风现象，且采空区漏风量大，在负压作用下漏风风流将采空区瓦斯带入上隅角处，这是造成上隅角瓦斯超限重要原因之一，所以对8307 工作面通风系统进行优化，决定采用“U+L”型通风系统。

2.1 通风系统的形成

1）5310 巷与5309 巷预留保安煤柱宽度为25 m，首先在两巷之间每隔50 m 施工一个通风横贯，横贯垂直两巷布置，横贯宽度为3.0 m，高度为3.5 m，横贯顶板及巷帮与5309 巷支护方式相同。

2）通风横贯施工完后，对所有横贯安装风流调节装置，再安装1 套直径为216 mm 的瓦斯抽采支管，在5310 巷内安装1 趟直径为800 mm 的瓦斯抽采主管，每节管道长度为6 m，采用无缝钢管结构，两端焊制法兰盘，相邻管道之间采用螺栓对接安装，主管道与三盘区西翼1 号临时瓦斯抽采泵站连接[4]。

3）回采前调整原工作面风流方向及风量，2309巷作为主进风巷，5309 巷作为辅助进风巷，5310 巷作为主回风巷，形成“U+L”型通过系统，如图1 所示。调整2309 巷进风风量为1 400 m3/min，辅助进风巷进风风量为500 m3/min。

图1 8309 工作面“U+L”型通风系统平面示意图

4）工作面回采前打开第一个通风横贯调节，使工作面回采时回风风流沿通风横贯进入5310 巷内，当第一个通风横贯进入采空区后，对5309 巷进行沿空留巷。当工作面回采至第2 个通风横贯时，及时拆除第1 个密闭内抽采管路并进行密闭，同时打开第2 个横贯抽采管路阀门。

2.2 沿空留巷支护

为了确保沿空巷围岩稳定性以及对采空区矸石、有害气体起到有效隔绝作用，对8309 工作面沿空巷采取柔模墙挡矸支护及迈步式锚索棚加强支护。

2.2.1 柔模浇筑支护

传统沿空留巷主要通过安装挡矸装置、金属网、风筒布等阻隔采空区矸石及有害气体，但是支护成本费用高、隔绝效果差、施工难度大，所以决定对沿空巷支设柔性模板，并通过混凝土浇筑形成柔模墙进行支护[5]。

1）柔性模板为三维纺织结构，模板外部为纤维布结构，采用加强筋固定，内部采用拉筋支撑；封闭空间采用高性能混凝土充填，每块柔性模板充填后尺寸为长×宽×高=3.0 m×1.5 m×3.5 m。

2）在每块柔性模板上布置2 排锚杆固定孔，每排3 个，孔距为1.0 m，第一排锚杆固定孔与顶板间距为1.0 m，第二排锚杆固定孔与底板间距为0.5 m。

3）工作面每推进3.0 m 进行一次柔模浇筑，工作面回采后首先对上隅角后方采空区顶板支设2 排单体柱进行临时支护。然后在留巷段位于采空区一侧支设模板。

4）模板支设完成后，向柔模内浇筑混凝土，当浇筑高度达0.5 m 时在模板下排固定孔安装3 根长度为1.6 m、直径为22 mm 的螺纹钢锚杆，该锚杆两侧采用螺纹结构，在锚杆两端头安装长度为0.45 m、宽度为0.25 m 的“W”型钢带。当混凝土浇筑高度达2.5 m时安装第2 排锚杆，如图2 所示。

图2 8309 工作面沿空巷支护示意图（未标单位：mm）

5）模板浇筑高度达3.0 m 时，为了保证柔模能够充分与顶板接触严实，采用注、停间隔时间的方法进行接顶施工，每注入0.5 m3混凝土停1～2 min 进行透水，以保证柔模接顶包注满，依次类推直至模板顶部接顶包完全充填严实。

2.2.2 迈步式锚索棚支护

1）为了防止采空区顶板垮落时导致沿空巷顶板出现垮落现象，在采空区一侧顶板上布置2 排迈步式锚索吊棚，吊棚沿沿空巷走向布置，布置间距为1.0 m，排距为1.5 m。

2）锚索吊棚中工字钢梁长度为3.0 m，锚索长度为8.3 m，直径为21.8 mm，锚索共计2 根；第1 排锚索棚与柔模墙水平距离为0.3 m，第2 排锚索棚与柔模墙水平距离为1.8 m，两排锚索棚采用迈步式布置，迈距为1.5 m。

3 工作面及采空区瓦斯抽采技术

3.1 顺层瓦斯抽采

1）顺层瓦斯抽采钻孔布置在5309 巷煤壁侧巷帮上，钻孔垂深为50 m，孔径为93 mm，钻孔水平间距为5.0 m，钻孔布置在工作面顶板往下1.5 m 处。

2）每2 个顺层瓦斯钻孔为1 组，对其安装抽采花管，与横贯内支管连接进行瓦斯抽采，第1 个抽采孔布置在工作面前方20 m 处，当工作面回采至与第1 个孔间距为3.0 m 时，及时对第1 组孔进行封堵，并对第2 组孔安装管路进行抽采。

3.2 中位钻孔瓦斯抽采

1）中位钻孔钻场布置在通风横贯内，每隔2 个横贯布置1 个钻场，钻场内布置7 个中位钻孔（编号1—7 号），钻孔施工在横贯顶板上。

2）中位钻孔采用扇形布置，钻孔深度为60 m，孔径为93 mm，钻孔以10°仰角布置，钻孔终孔位置位于回采煤层顶板往上7.0～8.0 m 范围内，钻孔内安装1 根直径为75 mm 的抽采花管，外端通过法兰、阀门与横贯内支管连接。

3.3 高位裂隙钻孔瓦斯抽采

1）在5309 巷工作面侧煤壁上每隔80 m 布置1个梯形状高位钻场，钻场外口长度为5.0 m，内口长度为2.0 m，垂深为3.0 m，高度为3.0 m，沿煤层顶板布置。钻场内顶板采用锚杆（索）支护，帮部采用单锚杆支护，钻场内支设2 排木柱加强支护。

2）在钻场内位于采空区侧巷帮上布置高位裂隙瓦斯抽采钻孔，共计布置1 排孔，每排4 个（编号为1 号、2 号、3 号、4 号），钻孔深度为100 m，直径为93 mm，所有钻孔向采空区方向布置。其中，1 号钻孔仰角为10°，向工作面煤柱侧偏5°；2 号钻孔仰角为15°，向煤柱侧偏角为15°；3 号钻孔仰角为20°，水平偏角为25°；4 号钻孔仰角为25°，水平偏角为35°，如图3 所示。

图3 8309 工作面综合瓦斯抽采施工平面示意图

3）钻孔布置好后，在钻孔内安装瓦斯抽采花管，并与横贯内支管连接，当工作面回采距钻场10 m 时，钻场停止瓦斯抽采，并对所有钻孔进行封堵。

3.4 采空区埋管瓦斯抽采

1）沿空留巷在支设柔模墙时，每支设10 块模板，安装3 趟直径为150 mm 的采空区瓦斯抽采管，3 趟管延伸采空区内长度不低于5.0 m。

2）将3 趟管路与横贯内支管连接，当沿空留巷长度达5.0 m 时开始对采空区进行瓦斯预抽；当沿空留巷长度达30 m 后，安装第2 组采空区抽采管路继续进行瓦斯抽采。

4 实际应用效果分析

截至2021 年2 月14 日，8309 工作面已回采结束，通过对工作面通风系统优化以及采取综合瓦斯抽采技术后，取得了以下显著应用效果：

1）工作面采用“U+L”型通风系统后解决了U 型通风工作面回采时上隅角瓦斯积聚、风流不畅等问题，后期回采时现场实测留巷口处最高瓦斯浓度为0.2%；同时减小了采空区漏风量以及通风风阻，漏风率不足3%。

2）利用沿空巷为回风巷，使工作面头尾顺槽兼作进风巷，解决了U 型通风时回风顺槽瓦斯浓度高、机电设备安装隐患高等技术难题，保证了工作面通风安全。同时沿空留巷通过柔模浇筑技术阻断了负压通道，避免了采空区内有害气体在负压作用下向沿空巷内涌出，通过对沿空巷内瓦斯浓度监测发现，沿空巷内平均瓦斯浓度在0.6%以下。

3）通过对工作面回采煤层、顶板裂隙以及采空区分别采取瓦斯抽采技术后，大大降低了工作面回采时瓦斯涌出量，回采时现场测定落煤点最高瓦斯浓度为0.8%，架后5.0 m 范围内瓦斯最高浓度为1.3%。

5 结语

塔山煤矿三盘区8309 工作面通风系统经优化后，解决了传统通风系统风阻大、采空区漏风量大、上隅角瓦斯浓度高等技术难题；利用中高位裂隙钻孔、顺层钻孔及采空区埋管等技术手段全方位对工作面进行瓦斯抽采，杜绝了回采期间瓦斯事故发生，对工作面安全高效回采提供了有力保障，同时为其他高瓦斯矿井工作面上隅角瓦斯治理、煤层瓦斯抽采等提供了实践依据。