复杂瓦斯地质条件下回采工作面瓦斯治理技术

王文柱

（山西寿阳段王煤业集团有限公司，山西 寿阳 045400）

1 工作面概况

段王煤矿正在回采090507 工作面，回采煤层为8+9 号，采用综采放顶煤开采工艺。090507 工作面位于一水平的0105 采区东翼，标高为+760～ +990 m，走向长度为2612 m，倾向长度为180 m。工作面煤层赋存较为稳定，煤层平均厚度4.4 m，倾角4～8°，平均6°，埋深由西向东从188 m 逐渐增加到414 m，是目前8+9 号煤层开采的最深部。工作面煤层瓦斯含量在4.81～7.74 m3/t 之间。

2 工作面瓦斯情况

2.1 工作面瓦斯赋存

090507 工作面瓦斯赋存受埋深和地质构造影响，工作面中部联巷向外埋深较小且陷落柱较多，有利于瓦斯散逸，瓦斯含量偏低；中部联巷向里埋深较大，瓦斯含量较高；工作面中部联巷区域以及拐点区域受应力集中影响局部煤层透气性较差，瓦斯含量较高；工作面拐点向里受15 号煤保护层开采影响，煤层透气性变好，煤层瓦斯解吸释放，含量稍微减小。

2.2 工作面瓦斯治理难点

通过分析，090507 综采放顶煤工作面存在瓦斯治理的难点有：

（1）由于巷道布置的关系，将工作面由偏“W”型通风改为“U”型通风，影响通风排瓦斯；

（2）工作面初采区域埋深最大，地质条件有利于瓦斯保存，瓦斯含量高，回采时容易导致瓦斯涌出量较大，增加回采初期瓦斯治理难度；

（3）工作面上邻近层瓦斯含量大，层间距小，回采过程中邻近层瓦斯涌出量大；

（4）工作面胶带巷侧有部分三角区域与下方15 号煤层四采区的老空区范围重合（如图1 所示），在回采过程中会导致15 煤老采空区瓦斯涌入到工作面；

（5）综放工艺导致的采空区遗煤解吸瓦斯会增加上隅角瓦斯治理负担；

（6）工作面钻孔工程量大，工期短，瓦斯治理时间非常紧张。

图 1 150401 工作面采空区与090507 工作面位置关系图

3 瓦斯综合治理

3.1 瓦斯综合治理模式

为提高段王煤矿瓦斯治理水平和切实解决回采工作面的瓦斯治理难题，段王煤矿加强与科研院所合作，利用先进的瓦斯治理理念和技术手段，紧密结合090507 工作面实际，形成了“一段一策”的瓦斯治理模式。具体来说，从技术层面上，根据工作面的地质条件、邻近层瓦斯含量、邻近工作面的层位关系、瓦斯赋存状态、埋深等因素，将工作面划分成若干个块段，对每一个块段采取有效的技术手段进行靶向治理；从管理层面上，改变瓦斯治理思路，重视本煤层瓦斯抽采，扩容瓦斯抽采渠道，增加高位钻场设置部位，优化钻孔布置，改进连孔工艺，由“一孔一连接”改为“多孔分组连接”，改变封孔工艺，推广使用“两堵一注”封孔技术，增加高位钻孔直径，提高抽采效果，实现工作面瓦斯综合治理的目的。

3.2 块段划分

根据“一段一策”的瓦斯治理理念，将090507工作面划分为4 个块段，分别是：块段一，范围包括工作面胶带巷侧1825～2612 m 之间与下方15 号煤层四采区的老空区所叠加形成的三角形状区域；块段二，范围包括工作面1825 m 处至工作面切眼除去块段一后的剩余区域；块段三，范围包括工作面1200～1750 m 区域；块段四，范围包括工作面0～1200 m 区域。划分区域如图2 所示。

图 2 工作面“一段一策”块段划分示意图

3.3 瓦斯治理措施

3.3.1 块段一瓦斯治理措施

（1）本煤层钻孔预抽

该区域内工作面胶带巷一侧下部为15 煤采空区，对靠近胶带巷的区域煤层有一定程度的卸压释放作用，煤层透气性也大大增加。因此本煤层抽采钻孔设计胶带巷和轨道巷双侧打孔，钻孔开孔高度为1.3 m，间距2 m，孔径94 mm，孔深95 m，钻孔垂直于煤壁。

（2）顶板高位钻孔

通过对段王矿8+9 号煤层顶板岩性及活动规律研究，由于初采阶段的瓦斯涌出量较大，胶带巷侧每间隔50 m 设置一个钻场，每个钻场内布置6个钻孔，钻孔倾角为21～24°，钻孔与巷道夹角为9～25°，钻孔平均深度105 m，钻孔直径113 mm，终孔位于胶带巷内错15～45 m、高度距煤层顶板35～40 m 之间。钻孔布置示意图如图3 所示。

图 3 胶带巷内高位钻孔布置示意图

（3）下向钻孔

在胶带巷侧施工下向钻孔进行抽采拦截15 号煤层老空区瓦斯，设计于本煤层钻场中施工2 个下向钻孔（如图4 所示）。钻孔倾角分别为-46°和-27°，钻孔方位角为115°和252°，平均深度为124 m，钻孔直径为113 mm。

图4 胶带巷下向钻孔设计示意图

3.3.2 块段二瓦斯治理措施

（1）本煤层钻孔预抽

该块段内煤层埋深较深，瓦斯含量高，因此该区域采用双侧布孔，沿用块段一的钻孔布置方式。

（2）顶板高位钻孔

根据工作面拐点以东区域瓦斯含量较大、初采阶段的瓦斯涌出特点和钻孔抽采搭接时效等因素，轨道巷侧每间隔70 m 设置一个钻场，每个钻场内布置16 个钻孔，钻孔分为两排布置，钻孔倾角分别为13°和18°，终孔高度距煤层顶板分别30 m、40 m，孔径113 mm，覆盖范围内错轨道巷10～66 m。钻孔布置示意图如图5 所示。

图5 块段二轨道巷内高位钻孔布置示意图

3.3.3 块段三瓦斯治理措施

（1）本煤层钻孔预抽

该块段内煤层埋深和瓦斯含量均低于初采区域，结合工作面长度较长的实际情况，该区域采用双侧布孔。胶带巷和轨道巷侧钻孔开孔高度为1.3 m，间距4 m，孔径94 mm，孔深95 m，钻孔垂直于煤壁。

（2）顶板高位钻孔

胶带巷侧每间隔50 m 设置一个钻场，每个钻场内布置6 个钻孔。钻孔参数及钻孔布置示意图同块段一。

轨道巷侧每间隔70 m 设置一个钻场，每个钻场内布置16 个钻孔。钻孔参数及钻孔布置示意图同块段二。

3.3.4 块段四瓦斯治理措施

（1）本煤层钻孔预抽

该块段内煤层埋深较浅，瓦斯含量较低，因此该区域在轨道巷单侧布孔。钻孔开孔高度为1.3 m，间距6 m，孔径94 mm，孔深165 m，钻孔垂直于煤壁。

（2）顶板高位钻孔

轨道巷侧每间隔50 m 设置一个钻场，每个钻场布置6 个钻孔，钻孔倾角为22～24°，钻孔与巷道夹角为4～25°，孔径113 mm，平均孔深为110 m，终孔距煤层顶板40 m，覆盖范围内错轨道巷7～50 m。

3.3.5 上隅角埋管抽放

在轨道巷布置直径457 mm 的一趟管路进入采空区，如图6 所示。每间隔15～30 m 将抽放管接头错开，实现分段连续抽放。

图6 上隅角埋管抽放瓦斯方法示意图

3.4 瓦斯治理效果分析

（1）090507 胶带巷侧本煤层钻孔抽采效果。钻孔在抽采开始后0～7 d 单孔抽采浓度最高达到60%，7～49 d 钻孔平均抽采浓度在38% 左右，49～113 d 钻孔平均浓度在24%左右，113 d 后平均浓度在11%左右，并保持稳定。分析认为，皮带巷钻孔抽采瓦斯很大一部分来源于下部15 号煤老空区，从而使钻孔瓦斯能够在较高的浓度下持续较长时间。

（2）090507 轨道巷本煤层钻孔抽采效果。钻孔开始抽采0～8 d 抽采浓度最高为75%，抽采8～50 d 后，抽采浓度平均维持在33%左右，抽采50～92 d，钻孔抽采平均浓度维持在25%，抽采92 d 后，钻孔平均浓度下降到10%，并保持稳定。

（3）高位钻孔抽采效果。统计所有高位钻孔的抽采数据进行分析，发现钻孔有效抽采时间和利用率较高。其中，5 号钻场中高位钻孔的平均长度为109.3 m，高位钻孔有效抽采平距平均为69.5 m，有效抽采时间为14.5 d，钻孔利用率为63.6%；9 号钻场中高位钻孔的平均长度为130.5 m，高位钻孔的有效抽采平距平均为110.6 m，有效抽采时间为24.3 d，钻孔利用率为84.8%。

（4）上隅角瓦斯抽采效果。090507 工作面于2018 年4 月9 日开始进行上隅角抽放，抽放系统运行稳定。上隅角埋管抽采效果与工作面周期来压的关系密切，周期来压期间顶板垮落上隅角埋管抽放效果较好，统计发现上隅角瓦斯抽采浓度维持在0.5%～1.4%之间。

4 结论

（1）段王煤矿090507 工作面受复杂地质条件影响，煤层瓦斯含量分布差异性较大，给瓦斯治理工作带来了难度。通过与科研院所合作，引进先进理念、先进技术和管理经验，在摸清了段王矿瓦斯赋存规律的前提下，提出了“一段一策”的瓦斯治理模式，对不同块段采取不同的治理措施，实现了工作面瓦斯综合治理的目的。

（2）通过采用新的瓦斯治理理念和技术，实现090507 工作面由偏“W”型通风转为“U”型通风，减少巷道掘进量，既降低了矿井生产成本，又大大缓解了矿井采掘接替紧张的局面。

（3）工作面瓦斯实行分段治理后，回风流瓦斯浓度由初期未回采时的0.36%～0.49%，平均为0.42%，降低到稳定生产时的0.22%～0.34%，平均为0.25%。在工作面最高月产达到18 万t 情况下，瓦斯零超限，保障了工作面安全高效生产。