欒恒杰，蔣宇靜，林惠立

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術(shù)應(yīng)用

欒恒杰1，蔣宇靜1，林惠立2

(1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013)

為有效解決工作面瓦斯超限問題，在深入分析青龍煤礦生產(chǎn)地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術(shù)。通過混凝土砌塊墻沿空留巷方式，成功保留了回采巷道，實(shí)現(xiàn)了“Y”型通風(fēng)。采用本煤層瓦斯順層鉆孔、穿層鉆孔立體抽采，臨近層瓦斯穿層鉆孔抽采，采空區(qū)及上隅角瓦斯頂板高位鉆孔和采空區(qū)埋管抽采的多方位抽采技術(shù)，同時(shí)解決了本煤層、采空區(qū)及鄰近煤層瓦斯涌入工作面、上隅角的問題。應(yīng)用效果表明：工作面瓦斯抽采率達(dá)80%以上，基本杜絕了瓦斯超限問題；工作面推進(jìn)速度提高1倍，月回采煤量達(dá)15萬t，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯煤層安全高效開采。

沿空留巷；“Y”型通風(fēng)；多方位抽采；瓦斯治理；安全高效開采

貴州大多數(shù)煤礦都面臨著高瓦斯突出煤層開采的問題，開采煤層瓦斯含量高、瓦斯壓力大，瓦斯治理困難，嚴(yán)重制約著礦井的安全高效開采。為解決瓦斯突出問題我國(guó)研究人員進(jìn)行了大量的理論研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，例如楊彥群[1]、李曉華[2]、李臣武[3]、梁春豪[4]、邢繼亮[5]等對(duì)瓦斯順層鉆孔、穿層鉆孔抽采，臨近層瓦斯穿層鉆孔抽采，采空區(qū)瓦斯抽采等多種瓦斯治理技術(shù)及機(jī)理進(jìn)行了研究，并在多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了瓦斯防治實(shí)踐，通過瓦斯抽采技術(shù)大幅降低了瓦斯?jié)舛?，取得良好的效果。但是，隨著采掘工作不斷延深、產(chǎn)量的不斷增加，采掘工作面瓦斯涌出量會(huì)逐漸增長(zhǎng)，僅采用瓦斯抽采技術(shù)已不能滿足生產(chǎn)要求[6-7]?；夭擅嫔嫌缃堑耐咚狗e聚將不僅限制采掘設(shè)備生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率的進(jìn)一步提高，而且嚴(yán)重危及到工作面作業(yè)人員的生命安全[8]。沿空留巷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn) Y 型通風(fēng)方式，是治理工作面瓦斯超限難題的有效途徑；沿空留巷所保留的巷道是進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采和治理的理想場(chǎng)所[9-10]?？梢姡M(jìn)行基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術(shù)研究與應(yīng)用十分必要。

為了確保礦井安全高效開采，消除工作面瓦斯超限問題，提高防治礦井瓦斯災(zāi)害的能力。本研究以青龍煤礦高瓦斯煤層開采為背景，采用基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術(shù)對(duì)青龍煤礦21604回采工作面進(jìn)行瓦斯綜合治理。實(shí)現(xiàn)了“Y”型通風(fēng)，采煤工作面瓦斯抽采率達(dá)80%以上，很好解決了工作面瓦斯考察超標(biāo)、臨近層瓦斯涌出對(duì)開采層威脅及上隅角瓦斯超限問題，為采煤工作面加快推進(jìn)提供重要保障。

1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)青龍煤礦生產(chǎn)接續(xù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇21604工作面作為瓦斯綜合治理技術(shù)試驗(yàn)工作面。21604工作面地面標(biāo)高+1 222.8～+1 382.9 m，工作面煤層底板標(biāo)高+1 073.5～+1 148.3 m，煤層傾角10°～15°，工作面走向長(zhǎng)為1 412.4 m，傾斜長(zhǎng)為181.7 m。21604工作面所采煤層為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M16煤，厚度1.3～3.4 m，平均厚2.6 m，煤層傾角10°～15°，下距17煤層5.40～18.70 m。17煤厚度0～1.6 m，平均厚度1.4 m，下距18煤層頂板15.4～28.7 m。18煤厚度2.3～4.3 m，平均厚度3.6 m，為主采煤層。礦井的可采煤層均為高瓦斯煤層，根據(jù)瓦斯地質(zhì)圖及取樣化驗(yàn)結(jié)果，二采區(qū)16煤層瓦斯含量為22.88 m3/t，17煤層瓦斯含量為10.97 m3/t，18煤層化驗(yàn)瓦斯含量為25.48 m3/t。經(jīng)計(jì)算，21604工作面開采層相對(duì)瓦斯涌出量為16.19 m3/t，臨近層相對(duì)瓦斯涌出量15.47 m3/t，圍巖相對(duì)瓦斯涌出量4.04 m3/t，則21604工作面相對(duì)瓦斯涌出量35.7 m3/t。

2 沿空留巷“Y”型通風(fēng)

“U”型通風(fēng)條件下，工作面風(fēng)流在流經(jīng)上隅角時(shí)直角轉(zhuǎn)彎形成渦流，上隅角成為系統(tǒng)風(fēng)壓的最低點(diǎn)，采空區(qū)涌出的瓦斯易積聚、難吹散。而采用沿空留巷能夠使工作面形成“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)，通過“兩進(jìn)一回”的通風(fēng)方式，可有效解決工作面上隅角瓦斯集聚問題[11-12]。

圖1 墻體尺寸及位置示意圖Fig.1 Wall size and location

2.1 沿空留巷方式

巷旁支護(hù)墻體采用C30普通混凝土砌塊和砂漿砌筑而成。砌塊地面預(yù)制，分多種規(guī)格，井下人工砌筑形成錯(cuò)縫縱碼的巷旁支護(hù)墻。墻體位于軌道順槽的采空區(qū)側(cè)，墻體砌好后沿空留巷寬度4.5 m，墻體砌筑到頂板，墻高平均約2.6 m，墻體寬度1.2 m，如圖1所示。為增大墻體強(qiáng)度，墻體兩側(cè)采用錨桿+鋼筋梯進(jìn)行加固，錨桿兩頭采用螺母+托盤壓住鋼筋梯，如圖2所示。

2.2 “Y”型通風(fēng)

21604工作面為青龍煤礦二采區(qū)第一個(gè)工作面，工作面軌道順槽沿空留巷。工作面回采初期采用“U”型通風(fēng)方式，21604運(yùn)順進(jìn)風(fēng)，21604軌順回風(fēng)。工作面推進(jìn)至里程370 m處時(shí)沿空留巷采用“Y”型通風(fēng)方式，21602措施巷聯(lián)絡(luò)巷、21602軌順、21602軌順聯(lián)絡(luò)巷、11608運(yùn)順回風(fēng)，21604工作運(yùn)順及21604軌順進(jìn)風(fēng)，如圖3所示。

圖2 沿空留巷墻體實(shí)物圖Fig.2 Gob-side entry retaining wall

1) 工作面切眼貫通期間，克服了通風(fēng)路線長(zhǎng)，通風(fēng)負(fù)壓小、風(fēng)量緊張等困難，通過采取全礦通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化，現(xiàn)場(chǎng)充分準(zhǔn)備等措施，有效對(duì)巷道貫通通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過測(cè)定，工作面“U”型通風(fēng)生產(chǎn)期間最大風(fēng)量達(dá)到1 900 m3/min以上，“Y”型通風(fēng)期間最大達(dá)1 800 m3/min以上，確保了工作面正常生產(chǎn)期間的瓦斯稀釋效果。

2) 工作面采用“Y”型通風(fēng)后對(duì)工作面通風(fēng)系統(tǒng)和各巷道配風(fēng)量進(jìn)行了調(diào)整，本著1/3和2/3的原則，調(diào)整21604運(yùn)順進(jìn)風(fēng)1 200 m3/min左右，21604軌順進(jìn)風(fēng)600 m3/min左右。既降低了工作面采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)量，同時(shí)能有效解決工作面上隅角及回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛容^高問題，取得了良好的效果，為類似通風(fēng)系統(tǒng)的采煤工作面提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

圖3 工作面通風(fēng)方式Fig.3 The working face ventilation way

3 工作面多方位瓦斯抽采技術(shù)

21604工作面本煤層瓦斯采用順層鉆孔、穿層鉆孔立體抽采，臨近層瓦斯采用穿層鉆孔抽采，采空區(qū)及上隅角瓦斯采用頂板高位鉆孔和采空區(qū)埋管抽采。通過對(duì)本煤層瓦斯、臨近層瓦斯、采空區(qū)瓦斯綜合治理，同時(shí)解決本煤層、采空區(qū)及鄰近煤層瓦斯涌入造成工作面、上隅角瓦斯超限的問題，保證工作面正常回采。工作面局部地段過構(gòu)造帶煤層賦存變化大，瓦斯異常時(shí)在工作面施工淺孔配合進(jìn)行抽采。

3.1 本煤層瓦斯立體抽采

21604工作面本煤層采用順層鉆孔+穿層鉆孔立體抽采，鉆孔布置示意圖如圖4所示。

圖4 順層鉆孔+穿層鉆孔立體抽采圖例Fig.4 The stereoscopic extraction of drilling inseam and cross-seam holes

21604采煤工作面順層鉆孔抽采本煤層瓦斯鉆孔設(shè)計(jì)情況：0～900 m段鉆孔按照3 m孔間距進(jìn)行設(shè)計(jì)，900 m停采線位置按照4 m孔間距設(shè)計(jì)(全長(zhǎng)下套管)，軌順側(cè)鉆空深100 m，運(yùn)順側(cè)鉆空深95 m，軌順與運(yùn)順鉆孔相交10 m。鉆孔采用ZDY-3200S、ZDY3500S型鉆機(jī)施工，施工孔徑為113 mm，順層鉆孔施工完畢后，封孔管直徑不得小于89 mm，連抽管直徑不得小于108 mm。

當(dāng)21604工作面地質(zhì)條件發(fā)生變化，設(shè)計(jì)的本煤層抽采鉆孔達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，施工本煤層順層鉆孔控制不到位，在21604工作面出現(xiàn)瓦斯抽采空白帶時(shí)，在21604軌順底抽巷(標(biāo)高+1 080 m)、21604運(yùn)順底抽巷(標(biāo)高+1 040 m)設(shè)計(jì)穿層鉆孔，對(duì)兩個(gè)工作面的空白帶瓦斯進(jìn)行抽采。21604工作面前0～300 m段按照10 m終孔間距設(shè)計(jì)，300 m停采線段按照15 m終孔間距設(shè)計(jì)，鉆場(chǎng)間距10～15 m，重點(diǎn)抽采工作面距進(jìn)回風(fēng)巷大于60 m及順層鉆孔控制空白帶區(qū)域。鉆孔采用ZDY-4000LF、ZDY-3200S、ZDY3500S型鉆機(jī)進(jìn)行施工，鉆孔終孔直徑為113 mm。

3.2 被保護(hù)層卸壓瓦斯抽采

在21604底抽巷穿層鉆孔施工完畢后，在底抽巷內(nèi)向21604工作面下方的18煤層內(nèi)施工穿層鉆孔預(yù)抽18煤層瓦斯，如圖5中間部分鉆孔所示。鉆孔采用網(wǎng)格式布置，鉆孔間距為22 m(煤層中部的平均距離)，鉆場(chǎng)間距為19.5 m，鉆孔孔徑不小于75 mm，鉆孔穿過18煤層后停鉆。在21604工作面回采期間，除利用上述鉆孔抽采18煤層瓦斯卸壓外，還利用掘進(jìn)期間在底抽巷內(nèi)施工的1號(hào)和7號(hào)穿層鉆孔協(xié)助抽采18煤層瓦斯卸壓。

圖5 穿層鉆孔抽采被保護(hù)層卸壓瓦斯圖例Fig.5 The protected seam gas relief by cross-seam holes extraction

3.3 采空區(qū)裂隙帶瓦斯抽采

為解決21604工作面回采過程中上隅角瓦斯超限，21604軌順中每間隔100 m施工一個(gè)硐室，硐室規(guī)格為：深×寬×高=4 m×4 m×2.8 m，每個(gè)硐室施工6個(gè)鉆孔對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。鉆場(chǎng)位于回采煤層頂板上5 m，鉆孔長(zhǎng)度150～200 m，鉆孔直徑不小于113 mm，鉆孔最終位置距離煤層頂板20～50 m(裂隙帶)，如圖6所示。

低負(fù)壓抽采管路的安裝。21604工作面回采期間，在21604軌順安裝一趟500 mm的低負(fù)壓瓦斯抽采管，瓦斯抽采管末端安裝至21604工作面第一組高位抽采硐室處，便于回采期間抽采采空區(qū)高濃度瓦斯。隨著工作面的回采，將低負(fù)壓瓦斯抽采管延伸至21604軌順的低負(fù)壓瓦斯抽采管上，便于抽采21604工作面上隅角瓦斯。

圖6 走向高抽鉆孔抽采采空區(qū)裂隙帶瓦斯圖例Fig.6 The trend high holes extraction of the goaf fractured zone gas

圖7 瓦斯抽采管的設(shè)置Fig.7 The settings of the gas drainage pipes

3.4 采空區(qū)瓦斯抽采

21604屬于高瓦斯工作面，為了保證安全，留存瓦斯應(yīng)盡可能抽放。21604工作面回采期間，安裝一趟500 mm的低負(fù)壓瓦斯抽采管至21604工作面上隅角處。隨著21604工作面的推進(jìn)，每間隔30 m設(shè)一個(gè)500 mm的等徑三通，等徑三通上直接500 mm的抽采管，埋入21604采空區(qū)內(nèi)，抽采采空區(qū)內(nèi)瓦斯，如圖7所示。埋入采空區(qū)內(nèi)(橫管)長(zhǎng)度不小于1.5 m，直徑為500 mm，橫管上加工成篩孔(篩孔直徑為50 mm、孔間距50 mm、行間距50 mm，篩孔總面積不得小于500 mm鐵管的橫截面積，不少于100個(gè))。篩孔管必須用木垛進(jìn)行保護(hù)，確保頂板垮落后不破壞篩孔管。在500 mm的支管上安設(shè)可控制的閘閥，便于調(diào)整抽采流量。

21604軌順最大抽采濃度為44.6%，抽采純流量為13.78 m3/min，抽采負(fù)壓為30 kPa。21604軌順底抽巷最大抽采濃度為44.7%，抽采純流量為29.58 m3/min，抽采負(fù)壓為26 kPa。21604運(yùn)順最大抽采濃度為37.8%，抽采純流量為13.89 m3/min，抽采負(fù)壓為28 kPa。21604運(yùn)順底抽巷最大抽采濃度為51.2%，抽采純流量為28.69 m3/min，抽采負(fù)壓為26 kPa。

4 瓦斯治理效果

二采區(qū)首采21604工作面，在煤層瓦斯含量最大達(dá)22.88 m3/t，最大瓦斯壓力為1.73 MPa，工作面回采初期最大瓦斯涌出量達(dá)93 m3/min情況下，采用基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術(shù)，采煤工作面瓦斯抽采率達(dá)80%以上，很好解決了工作面瓦斯考察超標(biāo)、臨近層瓦斯涌出對(duì)開采層威脅及上隅角瓦斯超限問題，為采煤工作面加快推進(jìn)提供了重要保障。

工作面推進(jìn)情況如圖8所示。21604工作面和11609工作面回采煤量對(duì)比如表1所示。可以看出，在2014年11月采用瓦斯綜合治理技術(shù)后，工作面回采效率大大提高。工作面月推進(jìn)150 m，推進(jìn)進(jìn)尺大幅度提高，工作面推進(jìn)速度提高1倍以上。相對(duì)于僅采用順層鉆孔抽采技術(shù)的11609工作面，月回采煤量也大幅度增加，達(dá)15萬t。瓦斯綜合治理技術(shù)確保了工作面的安全高效回采，取得了良好的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

圖8 21604工作面采掘平面圖Fig.8 The mining and excavation plan of the No.21604 working face表1 21604工作面和11609工作面回采煤量對(duì)比表Tab.1 The mining coal quantity comparison between the No.21604 and No.11609 working face

工作面名稱21604工作面11609工作面平均回采煤量(萬t/月)153瓦斯治理方法瓦斯綜合治理技術(shù)順層鉆孔

5 結(jié)論

采用基于沿空留巷與多方位抽采的瓦斯綜合治理技術(shù)對(duì)青龍煤礦21604回采工作面進(jìn)行瓦斯綜合治理。通過混凝土砌塊墻沿空留巷方式，成功保留了回采巷道，實(shí)現(xiàn)了“Y”型通風(fēng)，降低了工作面采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)量，有效解決了上隅角瓦斯超限及回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛容^高問題；采用本煤層瓦斯順層鉆孔、穿層鉆孔立體抽采，臨近層瓦斯穿層鉆孔抽采，采空區(qū)及上隅角瓦斯頂板高位鉆孔和采空區(qū)埋管抽采的多方位抽采技術(shù)，同時(shí)解決了本煤層、采空區(qū)及鄰近煤層瓦斯涌入工作面、上隅角的問題。采煤工作面瓦斯抽采率達(dá)80%以上，很好解決了工作面瓦斯超標(biāo)、臨近層瓦斯涌出對(duì)開采層威脅，為采煤工作面加快推進(jìn)提供了重要保障。工作面月推進(jìn)150 m，進(jìn)尺大幅度增加，工作面推進(jìn)速度提高1倍以上，月回采煤量達(dá)15萬t。瓦斯綜合治理技術(shù)確保了高瓦斯煤層工作面的安全高效回采，取得了良好的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

Comprehensive Gas Control Technology Based on Gob-side Entry Retaining and Multi-direction Extraction

LUAN Hengjie1,JIANG Yujing1,LIN Huili2

(1.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China; 2.Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

To effectively solve the problem of working face gas concentration exceeding limits,a comprehensive gas control technology based on gob-side entry retaining and multi-direction extraction was proposed on the analysis of the production and geological conditions of Qinglong Mine.With concrete block wall as roadside support,the mining roadway was retained successfully and the “Y” model ventilation was realized.The multi-direction extraction was employed including the seam gas stereoscopic extraction of drilling in seam and cross-seam holes,the near layer gas cross-seam hole extraction,and the gas high position drilling in roof of the goaf,which solved the problem of gas outbursting to the working face and the upper corners in the coal seam,the goaf and the adjacent coal seam.The application results showed that,the working face gas drainage efficiency was more than 80% and the gas concentration exceeding limits problem was basically eliminated.The mining velocity of working face was doubled.The monthly mining quantity reached 150 thousand tons.The safety and high efficiency mining of the high gas coal seam was realized.

gob-side entry retaining; ”Y” model ventilation; multi-direction extraction; gas control; safe high-efficient mining

2015-12-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379117)

欒恒杰(1989—)，男，山東煙臺(tái)人，博士研究生,主要從事采礦工程、巖土工程等方面的研究工作． E-mail：luanjie0330@126.com 蔣宇靜(1962—)，男，江蘇靖江人，教授，博士生導(dǎo)師．主要從事巖石力學(xué)方面的科研與教學(xué)工作，本文通信作者． E-mail:jiang@nagasaki-u.ac.jp

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1672-3767(2017)03-0038-07