張啟祿

(汾西礦業(yè)集團(tuán)公司，山西 介休 032000)

隨著礦井開(kāi)采規(guī)模和深度的不斷加大，瓦斯涌出量也隨之增大，瓦斯災(zāi)害日趨嚴(yán)重。對(duì)于工作面總瓦斯涌出量在40 m3/min以下的工作面不符合“U+L”通風(fēng)系統(tǒng)使用條件，從經(jīng)濟(jì)、安全上迫使“U”通風(fēng)系統(tǒng)在高瓦斯礦井采煤工作面(總瓦斯涌出量在40 m3/min以下)的全面應(yīng)用，但應(yīng)用的基礎(chǔ)和保障是瓦斯綜合治理措施必須到位。

1 地質(zhì)概況

本工作面位于汾西礦業(yè)集團(tuán)某礦井三采區(qū)前進(jìn)方向的南翼，西側(cè)工作面尚未采掘，東側(cè)為采空區(qū)。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度2 094 m，可采長(zhǎng)度1 734 m，傾斜長(zhǎng)度為201 m。

該工作面所采的(3#+4#)合并層，屬二疊系山西組下段頂部煤層，煤層平均厚度3.8 m;區(qū)內(nèi)煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含2層左右黑色泥巖夾矸層，夾矸層厚0.15 ～0.4 m，煤層傾角0 ～12°，平均6°。

工作面直接頂為灰黑色砂質(zhì)泥巖，厚度約15.53 m。其特征:灰黑色砂質(zhì)泥巖，含砂不均，夾粉砂巖長(zhǎng)帶，水平層理，含植物化石;老頂以灰白色中粒砂巖為主，厚度為20 m。其特征為中厚層狀，含云母，裂隙發(fā)育，堅(jiān)硬;直接底為灰黑色砂質(zhì)泥巖，斜交裂隙發(fā)育，未充填，半堅(jiān)硬，含植物化石，厚度5.65 m;老底為淺灰色細(xì)粒砂巖，石英為主礦物，分選中等，鈣質(zhì)膠結(jié)，脈狀層理，巖石完整，厚度12 m。

2 采煤方法

工作面開(kāi)采方法采用走向長(zhǎng)壁式開(kāi)采，為一次采全高綜合機(jī)械化，全部垮落法管理頂板。

3 工作面回采期間瓦斯來(lái)源

3.1 本煤層瓦斯涌出

該礦所采二疊系下統(tǒng)山西組下段頂部煤層(3+4)#合并層，煤體松，透氣性極好，不利瓦斯儲(chǔ)存。本煤層瓦斯涌出量約占工作面總涌出量的40%左右，是主要瓦斯涌出之一，根據(jù)治理瓦斯的分源治理原則，需進(jìn)行瓦斯抽采工作。

3.2 圍巖瓦斯涌出

因該礦煤層頂?shù)装宥酁樯百|(zhì)泥巖，孔隙、裂隙相當(dāng)發(fā)育，成煤時(shí)期儲(chǔ)存較多，在回采過(guò)程中，隨著老頂周期來(lái)壓，其中一部分瓦斯升至裂隙帶，一部分隨采空區(qū)漏風(fēng)帶到工作面及專(zhuān)用抽采巷，直接影響工作面和上隅角瓦斯?jié)舛龋s占總涌出量的60%，為主要瓦斯涌出量。

3.3 鄰近層瓦斯涌出

下鄰近煤層離本開(kāi)采層距離較大(約80余m)，對(duì)本開(kāi)采層瓦斯涌出無(wú)影響;上鄰近2#煤層距本煤層6～15 m，開(kāi)采后隨頂板垮落，應(yīng)力重新分配后主要涌向采空區(qū)，對(duì)工作面無(wú)太大影響，一并計(jì)入采空區(qū)瓦斯涌出量中。

4 綜合治理方案

4.1 通風(fēng)方式

工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)。材料巷進(jìn)風(fēng)，運(yùn)輸巷回風(fēng)，另在回風(fēng)巷一側(cè)布置一條專(zhuān)用瓦斯抽采巷，抽采巷內(nèi)對(duì)工作面進(jìn)行裂隙帶、采空區(qū)瓦斯抽采并實(shí)現(xiàn)全風(fēng)壓通風(fēng)。

工作面配風(fēng)量計(jì)算應(yīng)根據(jù)風(fēng)排瓦斯量，同時(shí)考慮配風(fēng)量與上隅角瓦斯涌出的相對(duì)關(guān)系，繪制曲線圖，確定平衡點(diǎn)，合理、適當(dāng)進(jìn)行配風(fēng)，選取上隅角瓦斯?jié)舛茸畹蜁r(shí)的風(fēng)量數(shù)據(jù)。

工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

4.2 超前預(yù)抽采措施

4.2.1 掘進(jìn)期間超前預(yù)抽

運(yùn)巷掘進(jìn)期間利用千米鉆機(jī)施工超前預(yù)抽鉆孔，預(yù)抽前方煤體中的瓦斯。在運(yùn)巷口左幫施工第一個(gè)煤體鉆場(chǎng)，巷道掘到700 m、1 400 m處再施工第二個(gè)、第三個(gè)煤體鉆場(chǎng)。每個(gè)鉆場(chǎng)計(jì)劃施工3個(gè)超前預(yù)抽鉆孔，抽采煤體中瓦斯。

1)鉆場(chǎng)規(guī)格。鉆場(chǎng)在運(yùn)巷前進(jìn)方向的左幫，沿煤層頂板掘進(jìn)。鉆場(chǎng)規(guī)格:深×寬×高=5 m×9 m×3 m，鉆場(chǎng)采用錨桿、錨索加金屬網(wǎng)綜合支護(hù)，采用擴(kuò)散通風(fēng)。

2)鉆孔設(shè)計(jì)。鉆場(chǎng)布置3個(gè)主鉆孔，孔間距1.1 m，鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1～3。在施工過(guò)程中可根據(jù)工作面實(shí)際情況對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

表1 第一鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)表

表2 第二鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)表

表3 第三鉆場(chǎng)鉆孔參數(shù)表

4.2.2 本煤層鉆孔抽采

材料、運(yùn)輸兩巷采用邊掘邊抽的方法進(jìn)行瓦斯超前預(yù)抽采。在材巷前進(jìn)方向右?guī)?，運(yùn)巷前進(jìn)方向左幫分別施工鉆孔進(jìn)行預(yù)抽采，鉆孔從巷道開(kāi)口處依次往工作面(沿煤層傾向)布置。鉆孔隨著工作面的向前掘進(jìn)逐步施工，且工作面迎頭與相近的鉆孔間距不得超過(guò)50 m。鉆孔間距為6 m，鉆孔開(kāi)孔使用d89 mm的鉆頭，打8 m后換用73 mm鉆頭，孔徑75 mm;抽采瓦斯管路布置在材巷前進(jìn)方向右?guī)?、運(yùn)巷前進(jìn)左幫，管路吊掛錨桿上，吊掛高度保持在1.2 m之間。工作面預(yù)抽鉆孔布置示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 工作面預(yù)抽鉆孔布置示意圖

4.3 邊采邊抽綜合方案

工作面采用專(zhuān)用抽采巷頂板工作面裂隙帶鉆孔、采空區(qū)鉆孔抽采以及運(yùn)巷上隅角埋管抽采的綜合邊采邊抽措施。

4.3.1 工作面裂隙帶鉆孔抽采設(shè)計(jì)

利用在專(zhuān)用抽采巷交錯(cuò)施工高、低位頂板鉆孔對(duì)工作面裂隙帶瓦斯進(jìn)行抽采。裂隙帶鉆孔布置在專(zhuān)用抽采巷前進(jìn)方向的左幫，鉆孔從停采線依次往工作面布置，每隔6 mm布置一個(gè)鉆孔.鉆孔終孔高低位度控制在20～23 m左右，高位孔控制在29～32 m。鉆孔深入工作面煤壁20 m，孔高1.6 m，開(kāi)孔使用d127 mmm鉆頭，打5 m后換用d89 mm鉆頭，孔徑91 mm。鉆孔從停采線往工作面依次編號(hào)，在專(zhuān)用抽采巷距切割巷60 m范圍內(nèi)施工密集高、低位頂板鉆孔，孔間距變?yōu)? m。提高工作面初采期間的抽采效果，保證安全生產(chǎn)，高、低位鉆孔在專(zhuān)用抽采巷施工完畢后，根據(jù)工作面實(shí)際煤層等高線圖進(jìn)行鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)。

4.3.2 采空區(qū)抽采鉆孔設(shè)計(jì)

在專(zhuān)用抽采巷內(nèi)向工作面上隅角施工煤柱穿層鉆孔，抽放采空區(qū)瓦斯。每6 m布置一個(gè)鉆孔，鉆孔深度29.4 m。鉆孔孔徑115 mm。鉆孔總數(shù)290個(gè)。根據(jù)該礦提供的地質(zhì)說(shuō)明書(shū)，鉆孔從停采線依次向工作面編號(hào)，在施工過(guò)程中可根據(jù)工作面實(shí)際情況對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

4.3.3 運(yùn)巷上隅角埋管抽采設(shè)計(jì)

工作面回采期間采用“U”型通風(fēng)方式，即材料巷進(jìn)風(fēng)，運(yùn)輸巷回風(fēng)。為了解決運(yùn)輸巷上隅角瓦斯積聚，采用鋪設(shè)一趟d300 mm鋼骨架復(fù)合管用于上隅角埋管抽放，管路沿巷道前進(jìn)方向右側(cè)鋪設(shè)。從停采線以內(nèi)每12 m接一個(gè)三通(d300 mm變d200 mm)，方向垂直向上。

管路安裝要求:

1)抽采管路沿巷道右側(cè)頂部吊掛，距頂不得大于400 mm的距離，要求每根抽采管路采用吊環(huán)吊掛兩處。

2)抽采管路按設(shè)計(jì)吊掛，做到平、直、穩(wěn)、嚴(yán)密，統(tǒng)一高度。

3)管路跨過(guò)巷道或硐室時(shí)要設(shè)龍門(mén)，與主管路連接處要上閥門(mén)和過(guò)濾裝置。

4)從停采線以里每12 m安設(shè)一個(gè)三通，三通方向垂直向上，變頭處必須安裝過(guò)濾裝置，以防雜物進(jìn)入管路。

5)井下管路應(yīng)避免與通訊、動(dòng)力電纜敷設(shè)在一起，以防管路帶電。若需布置在一側(cè)時(shí)，必須間隔500 mm的安全距離。

6)連接管路時(shí)必須將管內(nèi)雜物清理干凈，膠墊要墊合適，法蘭盤(pán)螺絲要上齊全，全部緊固，保證不漏氣。

7)瓦斯管路鋪設(shè)地段嚴(yán)禁施工，如確需施工時(shí)，必須做好管路保護(hù)措施，并與該礦通風(fēng)區(qū)聯(lián)系，待通風(fēng)區(qū)采取措施后，方可施工。

8)抽采管路在吊掛完成后，由總工程師組織有關(guān)單位進(jìn)行驗(yàn)收，合格后，方可投入使用。

4.3.4 運(yùn)巷采用鉆場(chǎng)長(zhǎng)鉆孔抽采上隅角瓦斯措施(初采期間涌出量大)

1)鉆場(chǎng)位置及規(guī)格。

在運(yùn)巷從切眼起，每隔50 m施工1個(gè)鉆場(chǎng)。共施工2個(gè)鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)在運(yùn)巷前進(jìn)方向的左幫，沿煤層頂板掘進(jìn)。鉆場(chǎng)規(guī)格:深×寬×高=5 m×6 m×3 m，鉆場(chǎng)采用錨桿錨索加金屬網(wǎng)綜合支護(hù)，采用擴(kuò)散通風(fēng)。

2)鉆孔設(shè)計(jì)。

每個(gè)鉆場(chǎng)布置上下兩排各3個(gè)鉆孔，孔間距600 mm，開(kāi)孔直徑115 mm，打5 m后換用89 mm鉆頭，孔徑91 mm。第一鉆場(chǎng)鉆孔垂直距離伸入工作面10 m，第二鉆場(chǎng)鉆孔垂直距離伸入前一鉆場(chǎng)20 m。1#～6#孔水平距離控制在工作面切割巷10～40 m的范圍內(nèi)，1#～3#鉆孔終孔高度控制在6～12 m內(nèi);4#～6#終孔高度控制在8～16 m內(nèi)。

工作面邊采邊抽鉆孔布置示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 工作面邊采邊抽鉆孔布置示意圖

4.4 抽采方法及管路敷設(shè)

運(yùn)輸巷、抽采巷均敷設(shè)兩趟直徑300 mm的瓦斯抽采專(zhuān)用管路，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)與本煤層和裂隙帶鉆孔分源抽采，且分別與三采總回風(fēng)巷抽采主管路對(duì)接。

預(yù)抽期間運(yùn)巷、專(zhuān)用抽采巷管路與三采回風(fēng)巷內(nèi)d800 mm的主瓦斯抽采管路聯(lián)接利用高濃度抽采系統(tǒng)進(jìn)行掘進(jìn)工作面的瓦斯預(yù)抽采工作?；夭善陂g運(yùn)輸、材料專(zhuān)用抽采巷的本煤層鉆孔、裂隙帶鉆孔抽采管路與三采回風(fēng)巷內(nèi)d800 mm的瓦斯抽采管路連接，利用高負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行工作面的瓦斯抽采，專(zhuān)用抽采巷的采空區(qū)抽采孔和運(yùn)輸巷的上隅角埋管的抽采管路與三采回風(fēng)巷內(nèi)d700 mm的瓦斯抽采管路聯(lián)接，利用低負(fù)壓抽采系統(tǒng)進(jìn)行采空區(qū)的瓦斯抽采工作。管路安裝完畢后，投入運(yùn)行前必須進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，并寫(xiě)出書(shū)面報(bào)告，要求靜壓力大于30 kPa時(shí)，千米漏氣量不大于3 m3/min方為合格。

4.5 抽采鉆孔封孔設(shè)計(jì)

每施工完一個(gè)鉆孔后，立即進(jìn)行封孔，封孔方法采用聚氨脂封孔法，封孔長(zhǎng)度巖孔5 m，煤孔8 m，封孔前應(yīng)將孔內(nèi)積水、巖屑清理干凈，以保證封孔質(zhì)量，封孔工藝如下:

1)封孔采用專(zhuān)用的PE封孔管。

2)封孔材料:專(zhuān)用的封孔管、封孔器、4分注液管、4分排氣管、毛巾布、聚胺脂。

3)封孔工藝:必須使用封孔泵動(dòng)力封孔。

在封孔管兩端纏繞毛巾布寬度不小于0.5 m，末端的毛巾布距封孔管末端0.8～1 m，外端毛巾布外側(cè)距封孔管口處0.4 m，封孔管外露0.2 m，封孔管兩端的毛巾布澆注藥液后要用12#鐵絲綁牢。

4)封孔管外端毛巾布中裹入2根長(zhǎng)為1.5 m和1 m的4分注液管、排氣管，4分管外露100 mm。

5)壓注藥液量:

聚胺脂液中甲、乙液的配比為1∶1.1。

6)鉆孔封孔所有工藝全部完成后，至少凝固1 h方可安裝擋板，在凝固4 h后方可進(jìn)行打壓試驗(yàn)。

7)封孔泵封孔操作順序:

a)在第一根封孔管上距末端0.4 m上一個(gè)接頭，然后在接頭處纏裹毛巾布，(使用12#鐵絲固定在封孔管上)再澆好液后送入孔內(nèi)。

b)逐根快速將封孔管連接好。

c)及時(shí)將封孔管送入鉆孔。

d)在最外一根封孔管上距封孔管口0.4 m處再上一個(gè)接頭，然后在接頭往里纏裹毛巾布(使用12#鐵絲固定在封孔管上)，同時(shí)毛巾布內(nèi)應(yīng)固定上注液管、排氣管;排氣管安設(shè)在孔頂，注液管安設(shè)在孔底，各外露100 mm。

e)將封孔管送入鉆孔，封孔管外露0.2 m。

f)以上工序完成后，等待5、6 min，聚氨酯膨脹后，再向注液管內(nèi)壓注藥液。

g)在鉆孔使用聚氨酯完成封孔后，將孔口預(yù)留0.2 m長(zhǎng)的距離，采用人工填充水泥砂漿的方法進(jìn)行孔口段的封孔工作。

8)液體打完后，要及時(shí)關(guān)閉壓風(fēng)，擰開(kāi)注液管上的絲扣，然后打開(kāi)壓風(fēng)將封孔器與膠管內(nèi)液體吹干凈，防止聚氨酯堵塞封孔器。

9)鉆孔封好后，上擋板時(shí)不得將擋板緊固，待封孔液完全凝固后，方可緊固擋板。

10)每施工完一個(gè)鉆孔立即封孔，并接入抽采系統(tǒng)。