潞宁煤业22117 综采工作面瓦斯综合治理技术

李午明

（山西潞安集团潞宁煤业公司，山西 忻州 036000）

1 工程概况

山西潞安集团潞宁煤业22117 工作面位于二二采区，22117 工作面采用一次性采全高综合机械化走向长壁式采煤方法，采用负压U 型通风。工作面开采2#煤层，煤层平均厚度为4.3m，煤层倾角-4°。工作面回风顺槽设计长度1460m，运巷顺槽设计长度1498m，切眼水平长度为235m，上部为22115工作面采空区，下部为实体煤。具体工作面布置形式如图1 所示。煤层为Ⅱ级自燃煤层，煤尘具有爆炸性。

图1 22117 工作面布置示意图

根据矿井地质资料可知，22117 工作面瓦斯最大可解析量为1.84m³/t，原始瓦斯含量3.6m3/t，按该工作面日产8000t，推测出回采期间瓦斯涌出量为10.2m3/min。为保障工作面回采期间不会受到瓦斯超限的影响，确定根据工作面煤层赋存情况及瓦斯赋存特征进行有针对性的瓦斯治理方案设计，为工作面的安全回采提供保障。

2 瓦斯抽采方案确定

2.1 工作面瓦斯来源分析

根据矿井二二采区瓦斯涌出量及来源分析报告可知：工作面回采期间，瓦斯涌出的主要来源为开采煤层巷道煤壁和工作面煤壁解吸的瓦斯、回采落煤的过程中解吸涌出的瓦斯。除工作面区域涌出的瓦斯外，瓦斯涌出的另一个主要来源为工作面采空区遗煤解吸出来的瓦斯，随着风流进入到工作面的回采空间内。基于上述分析可知，22117 工作面瓦斯的主要来源为煤体涌出的瓦斯和采空区遗煤涌出的瓦斯。

2.2 瓦斯抽采方案设计

基于22117 工作面瓦斯涌出主要来源的分析结果，结合工作面煤层瓦斯的赋存情况、矿井现有技术设备及施工场地等因素[1-3]，为防止工作面回采期间出现瓦斯超限现象，采用本煤层钻孔预抽的方式降低煤体内的瓦斯含量，采用裂隙钻孔抽采的方式对采空区内的瓦斯进行治理，采用上隅角埋管抽采的方式防止工作面回采期间出现上隅角瓦斯超限现象，即22117 工作面采用本煤层预抽+裂隙带抽采+采空区埋管抽采的方案。

（1）本煤层瓦斯抽采

① 抽采钻孔布置。钻孔布置在运巷工作面前方10m 停采线的位置，共布置钻孔 280 个。钻孔由运巷上帮向上打仰孔，呈4.5°的倾角，钻孔在距离底板1.6m 的高度处开孔，设置孔间距为5m，钻孔参数为Φ94mm×165m。在22117 风巷从切眼向外10m 处布置钻孔至停采线，水平角度与风巷巷道（下帮）呈90°夹角，钻孔与风巷水平线成-4°俯角，由风巷下帮向下打俯孔，开口高度距底1.4m，钻孔间距5m，孔径Φ94mm，终孔深度85m。本煤层钻孔参数和布置方式如表1 和图2 所示。

表1 本煤层瓦斯抽采钻孔参数表

图2 22117 工作面瓦斯抽采钻孔布置剖面图

② 封孔方式。钻孔采用无机磷酸盐高铝高强泥浆材料进行封孔。封孔深度≥12m，封孔前将抽放孔前20m 孔径扩至Φ153mm，再进行封孔。封孔管为直径Φ108mm 的PVC 管（阻燃、防静电）。

（2）裂隙带抽采

① 抽采钻场布置。在回风巷133m 位置处开始布置钻场，沿着回风巷一直布置，共计在回风巷内布置21 个钻孔。钻场间距为60m，钻场规格为5m（长）×3.5m（宽）×3.6m（高）。具体钻孔断面图如图3 所示。

图3 22117 工作面回风顺槽钻场布置断面图

② 钻场内钻孔布置。每个钻场内部布置瓦斯抽采钻孔6 个，钻孔分为上下两排布置，上排和下排分别布置3 个，钻孔孔径Φ120mm。上排钻孔起钻位置距钻场底板3.1m，孔间距0.7m，6#孔距下帮2.4m；下排布置3 个钻孔，钻孔起钻位置距钻场底板2.4m，孔间距0.7m，3#孔距下帮2.4m。1#～3#钻孔终孔点距风巷下帮水平距离分别为25m、30m、35m，距顶板距离分别为15m、20m、25m，孔深分别为150.8m、151m、152m；4#～6#钻孔终孔点距风巷下帮水平距离分别为40m、45m、50m，距顶板距离分别为30m、35m、40m，孔深152.8m、153.7m、154.9m。相邻两钻场的钻孔重叠距离不少于120m，以保证不存在抽放空白区[4-5]。具体如表2 所示。

表2 钻孔内抽采钻孔布置方式

③ 封孔方式。采用“两堵一注”（囊袋式），封孔材料与本煤层抽采钻孔封孔材料相同。打设钻孔时先将钻孔前20m 孔径扩至Φ165mm 再进行钻孔打设，钻孔施工完成后及时进行封孔，封孔深度不少于18m，封孔管为直径Φ108mm 的PVC 管（阻燃、防静电）[6]。

（3）采空区埋管抽采

在采空区下帮预埋一趟Φ273mm 双面埋弧螺旋焊接钢管，每隔6m 预留一个三通带筛管管件，作为抽采采空区瓦斯管路的连接口。随着工作面的推进，管路上的连接三通带筛管管件逐步向采空区内靠近，在进入采空区之前，要卸掉筛管上包裹风筒布，对采空区瓦斯进行抽放。具体采空区埋管抽采方式如图4 所示。

图4 采空区埋管抽采示意图

3 瓦斯治理效果分析

在本煤层钻孔瓦斯抽采期间，进行瓦斯抽采纯量和抽采浓度的监测作业。根据监测结果能够得出如图5 所示的曲线图。

图5 本煤层钻孔抽采浓度与抽采纯量曲线图

分析图5 知，本煤层钻孔瓦斯抽采作业初期，抽采浓度和抽采纯量随着抽采时间的增大呈现出逐渐上升的趋势，在瓦斯抽采作业的中后期瓦斯抽采纯量和抽采浓度逐渐趋于稳定，抽采浓度基本稳定在25%～30%的范围内，抽采纯量稳定在0.20～0.25m3/min。从图中能够看出抽采纯量最大值为0.37m3/min，抽采浓度最大值为84%。另外从图中能够得出，本煤层钻孔瓦斯抽采的平均抽采纯量为0.24m3/min，平均抽采浓度为33%，瓦斯抽采效果良好。

在工作面回采期间，通过对裂隙带钻孔瓦斯抽采的效果进行监测分析，得出22117 工作面回采期间采空区抽采效果如表3 所示。从表中能够看出裂隙带钻孔抽采瓦斯平均纯量为3.13m3/min，抽采瓦斯浓度为6.5%～10.8%。基于此可知，裂隙带钻孔抽采效果良好。

表3 22117 作面采空区顶板长钻孔抽采效果

在22117 工作面回采期间，对工作面进风巷和回风巷的风流量、回风巷中及上隅角区域的瓦斯浓度进行监测，根据监测数据能够绘制出如图6 所示的曲线图。

图6 工作面回采期间风量与瓦斯浓度曲线图

通过分析图6 可知，22117 工作面回采期间，工作面推进0～10m 的范围内，回风巷及上隅角的瓦斯浓度呈现逐渐增大的趋势；在工作面推进10m 时，工作面回风巷和上隅角的瓦斯浓度同时在该点处达到最大值，分别为0.75%和0.53%。分析该现象出现的原因可知，由于本煤层瓦斯预抽钻孔未布置在工作面前方10m 范围，故工作面回采后，使得煤体内赋存的瓦斯得到解吸，进而涌向工作面回采区域。随着工作面回采作业的进行，工作面进入到本煤层瓦斯预抽后的区域，同时随着采空区埋管抽采和风排瓦斯的持续进行，瓦斯浓度逐渐降低，最终回风巷中瓦斯浓度稳定在0.35%～0.43%的范围内，上隅角瓦斯浓度稳定在0.6%～0.7%之间。基于上述分析可知，在工作面回采期间，上隅角的瓦斯浓度始终控制在0.8%以下，回风流中的瓦斯含量始终控制在0.55%以下，未出现瓦斯超限的现象。

4 结论

根据开采煤层瓦斯赋存和涌出特点，确定了22117 工作面瓦斯治理采用本煤层抽采+裂隙带抽采+采空区埋管抽采方案，研究设计了各项瓦斯抽采方法的具体施工参数，监测分析了瓦斯抽采效果。 工作面回采期间，瓦斯抽采方案实施后，工作面回风流及回风隅角未出现瓦斯超限现象，为工作面安全回采提供了保障。