白帆

（潞安集團 余吾煤業(yè)公司，山西 長治046000）

0 引 言

工作面瓦斯治理成效對于掘進工作面施工的安全具有重要影響[1-2]，我國作為煤炭資源開采和利用的大國，國內(nèi)煤炭企業(yè)中高瓦斯礦井?dāng)?shù)量占比較重，煤與瓦斯突出事故是礦井安全的主要隱患?；诖耍瑖鴥?nèi)各高瓦斯礦井在生產(chǎn)過程中，采用各種瓦斯抽采措施以提高工作面的瓦斯抽采率，一定程度上改善了礦井煤與瓦斯突出的狀況，工作面采掘活動中，瓦斯涌出量也得到了有效控制。但井下瓦斯抽采率普遍偏低的狀態(tài)還是沒有得到妥善的解決，瓦斯災(zāi)害的形式依舊嚴(yán)峻。本文以余吾煤業(yè)N1105工作面為工程基礎(chǔ)，在工作面掘進期間，采取鄰近巷道區(qū)域預(yù)抽、邁步鉆場邊掘邊抽、施工迎頭釋放孔、迎頭鉆孔預(yù)抽等措施以及采用順層鉆孔采前預(yù)抽、切眼頂板釋放孔、高抽巷抽采、鉆場裂隙帶抽采、采空區(qū)長立管埋管瓦斯抽采等措施對保證工作面在掘進及回采期間的安全。研究并提出合理有效的瓦斯綜合治理體系，對高瓦斯礦井的生產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工作面概況

N1105工作面位于余吾煤業(yè)北風(fēng)井西翼采區(qū)，工作面沿南北方向布置，采用U型通風(fēng)系統(tǒng)。工作面設(shè)計可采長度為2 165 m，切眼302 m，主采3號煤層，平層傾角為+4°～-3°，平均煤厚6.5 m，工作面可采儲量738萬t，原始瓦斯含量為10.87 m3/t，原始瓦斯壓力0.52 MPa，3號煤層最大殘余瓦斯含量為7.021 6 m3/t，絕對瓦斯涌出量為28.2 m3/min，相對瓦斯涌出量5.728 0 m3/t。工作面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機械化采煤法，采用MGTY400/930-3.3D型雙滾筒采煤機，滾筒截深0.8 m。

2 瓦斯治理措施應(yīng)用

高瓦斯礦井綜放工作面的瓦斯治理難度很大，因此在治理工作開展前，要有明確的目的性及針對性，在施工過程中嚴(yán)抓技術(shù)管理和施工管理。

2.1 掘進期間瓦斯治理

N1105工作面掘進期間瓦斯治理措施主要有，鄰近巷道區(qū)域預(yù)抽、邁步鉆場邊掘邊抽、施工迎頭釋放孔、迎頭鉆孔預(yù)抽[3-5]。

（1）N1105回順施工臨巷預(yù)抽鉆孔。在所有符合鄰近巷道預(yù)抽條件的地點，均需采取鄰巷預(yù)抽措施，實現(xiàn)超前瓦斯治理。即利用現(xiàn)有巷道向鄰近巷道施工順層鉆孔對后掘巷道進行掘前預(yù)抽，降低后掘巷道的煤層瓦斯含量，實現(xiàn)巷道的快速掘進。

（2）N1105掘進工作面進行邁步鉆場邊掘邊抽。鉆孔施工參數(shù)：邁步鉆場鉆孔設(shè)計深度130 m，鉆頭直徑120 mm，呈平面扇形布置。邁步鉆場鉆孔6個，成三排兩列布置，鉆場內(nèi)有2個鉆孔作為超前探。除工作面膠帶順槽回采側(cè)鉆場為內(nèi)寬4 m、外寬6 m、深5 m、與巷道等高的等腰梯形鉆場外，其余地點邁步鉆場規(guī)格均為內(nèi)寬4 m、外寬6 m、深4 m、高3 m的等腰梯形鉆場。N1105掘進工作面邁步鉆場鉆孔設(shè)計如圖1所示。

圖1 N1105掘進工作面邁步鉆場鉆孔設(shè)計Fig.1 Drilling design of N1105 heading face step drilling field

（3）N1105掘進工作面施工迎頭釋放孔。利用檢修班對掘進工作面迎頭打設(shè)釋放孔，可以避免煤體瓦斯在生產(chǎn)期間的集中釋放，降低掘進工作面生產(chǎn)期間的瓦斯涌出量。釋放孔施工參數(shù)，釋放孔施工鉆頭直徑65 mm，孔深15 m。釋放孔按1.4個/m2均分4排進行布置，各排開孔高度分別為1、1.6、2.2、2.8 m，與煤層夾角分別為0、3、7、10°，以控制煤層全厚。N1105掘進工作面釋放孔設(shè)計如圖2所示。

圖2 N1105掘進工作面釋放孔設(shè)計Fig.2 Release hole design of N1105 heading face

（3）迎頭預(yù)抽鉆孔。巷道迎頭共施工15個鉆孔，鉆孔成3排5列布置，排間距0.4 m，各排鉆孔開孔高度分別為1.4、1.8、2.2 m，并按列間距1 m居中布置，孔深150 m。巷道沿底板掘進時，6、9、12號鉆孔兼做地質(zhì)超前探鉆孔使用，沿頂板掘進時4、7、10號鉆孔兼地質(zhì)超前探鉆孔使用。鉆孔施工時，先施工地質(zhì)超前探鉆孔，然后按鉆孔編號順序依次施工其余鉆孔。巷道開口前或瓦斯異常區(qū)需采取迎頭預(yù)抽鉆孔進行抽采。N1105工作面迎頭預(yù)抽鉆孔設(shè)計如圖3所示。

圖3 N1105工作面迎頭預(yù)抽鉆孔設(shè)計Fig.3 Design of N1105 face pre-pumping borehole

2.2 回采期間瓦斯治理

N1105工作面回采期間瓦斯抽采治理措施主要有，順層鉆孔采前預(yù)抽、切眼頂板釋放孔、高抽巷抽采、鉆場裂隙帶抽采、采空區(qū)長立管埋管瓦斯抽采等［6-8］。

（1）順層鉆孔采前預(yù)抽。所有掘進巷道符合條件的地點布置順層鉆孔對工作面進行超前預(yù)抽，使工作面安全高效回采。順層鉆孔采前預(yù)抽可以減小掘進巷道的瓦斯涌出量，還可以降低覆蓋范圍煤體的瓦斯含量。順槽內(nèi)的采前預(yù)抽鉆孔施工范圍為停采線至切眼外20 m，采用三花眼方式布置，間距2.5 m，鉆孔在工作面內(nèi)交叉15 m，孔深為155 m。每組鉆孔施工時，要安裝放水器進行放水，每個鉆孔都要安裝截止閥和測壓嘴。鉆孔不成孔時，需及時進行補孔。如地質(zhì)構(gòu)造等情況導(dǎo)致不成孔，需在工作面回采前用水鉆進行補孔，消除空白帶。N1105工作面順層鉆孔采前預(yù)抽孔設(shè)計如圖4所示。

圖4 N1105工作面順層鉆孔采前預(yù)抽鉆孔布置Fig.4 Arrangement of pre-pumping borehole before mining for bedding borehole on N1105 working face

（2）切眼頂板釋放孔。在N1105切眼頂板布置瓦斯釋放孔，不但能解決N1105工作面初采時瓦斯涌出情況，同時也有利于初采時切眼處頂板的垮落。N1105切眼頂板釋放孔施工采用錨桿鉆機，垂直打入煤層頂板，頂板釋放孔深3 m，孔徑為φ28 mm，鉆孔共計11016個。N1105切眼頂板布置如圖5所示。

圖5 N1105工作面切眼頂板布置Fig.5 Layout of open-cut roof of N1105 working face

（3）高抽巷抽采。綜采工作面采空區(qū)瓦斯涌出量較大，為了解決采空區(qū)瓦斯治理難題，該礦采用高抽巷抽采的瓦斯治理模式，主要目的是截流采空區(qū)涌向工作面的瓦斯，以減小上隅角、后溜及回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛?。在N1105高抽巷安裝2趟φ630瓦斯管，通過北風(fēng)井2號總回風(fēng)巷內(nèi)φ800低負(fù)壓瓦斯管合口，帶抽工作面回采時高抽巷內(nèi)涌出的瓦斯，連接處均需加1個φ630蝶閥，方便抽采系統(tǒng)的管理。φ630瓦斯管路敷設(shè)在錨桿+槽鋼的吊架上，每5 m需2個吊點。N1105高抽巷瓦斯抽采管路布置如圖6所示。

圖6 N1105高抽巷瓦斯抽采管路布置Fig.6 Layout of gas extraction pipeline in N1105 high drainage roadway

（4）裂隙帶鉆場鉆孔抽采。N1105工作面均為放頂煤作業(yè)，采空區(qū)冒落后，瓦斯通過采空區(qū)上部巖層冒落帶進入巖石裂隙。采用膠順裂隙帶鉆場鉆孔將采空區(qū)、裂隙帶這部分瓦斯抽出，減少回采作業(yè)時采空區(qū)瓦斯向切眼涌出。單U型工作面由于回順裂隙帶的鉆孔層位與高抽巷層位重合，單U型工作面僅保留膠順裂隙帶鉆孔。每個鉆場側(cè)面布置兩排鉆孔，共12個鉆孔都為裂隙帶鉆孔。膠順裂隙帶鉆孔控制工作面距膠順30～100 m，控制煤層頂板上方30 m的范圍。N1105工作面裂隙帶鉆場鉆孔設(shè)計如圖7所示。

圖7 N1105工作面裂隙帶鉆場鉆孔設(shè)計Fig.7 Borehole design of drilling field in fractured zone of N1105 working face

（5）上隅角懸管抽采瓦斯。綜采隊組對端尾老塘進行封堵，在回順最后一節(jié)φ400 mm瓦斯管末端安裝1根5 m長φ400 mm高壓螺旋可壓縮彎曲膠管，在膠管末端在安裝1根2.5 m長φ400 mm瓦斯管。膠管末端安裝的瓦斯管深入封堵墻1.8 m，深入部分打設(shè)篩眼并安裝過濾網(wǎng)，防止掉落的碎煤吸入管內(nèi)。隨著工作面的推進，隨時壓縮φ400 mm高壓螺旋可壓縮彎曲膠管，φ400 mm末端管必須吊掛整齊，不得影響上隅角探頭吊掛。φ400 mm末端管無法壓縮，影響帶抽上隅角時，綜采隊組及時回收最后1節(jié)φ400 mm瓦斯管，并將φ400 mm高壓螺旋可壓縮彎曲膠管安裝到位，N1105工作面上隅角瓦斯抽采管路安裝如圖8所示。

圖8 N1105工作面上隅角瓦斯抽采管路安裝Fig.8 Installation of gas drainage pipeline at the corner of N1105 working face

3 瓦斯抽采效果分析

（1）抽采時間。

回風(fēng)順槽預(yù)抽鉆孔施工從2017年6月開始施工抽采鉆孔，到2019年3月完成工作面全部預(yù)抽鉆孔的施工及并網(wǎng)預(yù)抽工作。膠帶順槽預(yù)抽鉆孔施工從2017年3月隨巷道掘進開始施工抽采鉆孔，到2019年1月完成工作面全部預(yù)抽鉆孔的施工及并網(wǎng)預(yù)抽工作。

（2）瓦斯抽采量。

N1105工作面原始瓦斯含量為10.87 m3/t，工作面煤層瓦斯儲量為550.4萬t×10.87 m3/t=5 982.85萬m3，抽采達標(biāo)（煤層殘余瓦斯含量小于7.039 7 m3/t）后瓦斯儲量550.4萬t×7.039 7 m3/t=3 874.7萬m3，應(yīng)抽采瓦斯量為2 108.15萬m3。

N1105工作面本煤層預(yù)抽鉆孔于2017年3月1日開始施工，于2019年3月7日竣工，期間累計抽采300～1 036 d，平均抽采668 d，抽采瓦斯量2 606.8萬m3，日抽采瓦斯量為3.9萬m3，滿足計劃日常量7 900 t/d瓦斯抽采達標(biāo)要求。

4 結(jié)語

根據(jù)余吾煤業(yè)N1105工作面煤層賦存條件、地質(zhì)構(gòu)造、打鉆異常情況，在工作面掘進以及回采期間分別針對性的采取相應(yīng)的瓦斯治理措施，經(jīng)分析評判N1105工作面瓦斯抽采基礎(chǔ)條件滿足抽采設(shè)計以及施工要求，瓦斯抽采鉆孔控制范圍、抽采鉆孔均勻程度滿足評判達標(biāo)要求且抽采鉆孔空白區(qū)域采區(qū)相對應(yīng)的補充措施，保證瓦斯抽采效果評判合格，N1105工作面計算及實測煤層最大殘余可解吸瓦斯含量分別為4.952 1 m3/t、4.992 0 m3/t，且均小于5.0 m3/t，工作面日產(chǎn)600 1～8 000 t瓦斯抽采達標(biāo)。