常村煤矿综采工作面瓦斯综合防治技术应用

王 雪 斌

（山西新村煤业有限公司，山西 长治 046000）

1 矿井概况

常村煤矿矿井井田面积18.908 km2，井田构造总体为走向北西、倾向南西的单斜构造，主采山西组3号和4 号煤层。矿井核定生产能力240 万t/a，煤层倾角2°～8°，矿井采用立斜井混合开拓方式，开采水平为两个水平。采用综合机械化一次采全高采煤工艺，全部垮落法管理采空区。2017 年瓦斯等级鉴定结果为煤与瓦斯突出矿井，矿井相对瓦斯涌出量为23.28 m3/min，瓦斯绝对涌出量为76.06 m3/min。

2 区域瓦斯综合治理技术

2.1 保护层开采技术

常村煤矿开采3 号和4 号煤层层间距相隔12.5m，煤层间距较小，为近距离煤层群方式开采。根据瓦斯地质情况分析，3 号煤层和4 号煤层瓦斯地质条件和变化规律基本一样，均具有煤层突出危险性。矿井自2000 年开始使用保护层开采治理瓦斯技术，即2 个近距离煤层开采时1 个作为保护煤层，另1 个作为被保护煤层。常村煤矿在开采3 号煤层时，提前利用3 号煤层巷道对4 号煤层施工瓦斯抽采钻孔进行瓦斯预抽和卸压瓦斯消除其突出危险性，确保4 号煤层在开采期间的安全。在对3 号煤层进行瓦斯灾害治理时主要利用穿层钻孔和顺层钻孔预抽煤层瓦斯措施提前对煤层进行消突，确保安全回采。

2.2 穿层钻孔消突措施

穿层钻孔施工是在煤层底板抽放巷内施工抽采钻孔，钻孔从煤层底板岩层内穿过进入煤层内，并进行联管封孔[1-2]，提前对煤层瓦斯进行预抽（穿层钻孔布置如图1 所示），按照规定的时间内对煤巷煤层瓦斯进行区域性消突。

图1 底抽巷穿层抽采钻孔布置示意图

为满足施工钻孔的同时不影响运输物料等要求，在底板抽放巷内要均匀设计布置钻场，将钻机布置在钻场内施工钻孔。钻场断面设计时要考虑能够达到最大功率钻机安装和打钻要求，设计一般按照宽×高×深= 4m×3m×4.5m。钻孔直径设计为94 mm，沿倾向方向每组钻孔设计5 个，钻孔深度以穿过煤层后进入煤层顶板岩层0.5 m 为准，每组钻孔间距12 m。根据工作面瓦斯抽采效果情况，可以在抽采后期适当增加补充抽采钻孔。钻孔施工完成后要采用水泥砂浆配合封孔材料进行注浆封孔，封孔长度不低于8 m。联孔抽放时抽采负压要求不低于25 kPa，抽采时间不少于6 个月。煤巷条带完成消突后方可进行煤巷施工。

2.3 顺层钻孔抽放措施

在工作面回采过程中，超前工作面切眼50 m 以上上下顺槽巷道内，施工煤层顺层瓦斯抽采钻孔，超前动压区影响范围内对工作面煤层赋存瓦斯进行提前抽放，以降低工作面煤层瓦斯含量，从而达到减少工作面煤层瓦斯涌出量的目的。具体如图2所示。

图2 工作面顺层抽放钻孔布置示意图

巷道内顺层钻孔布置设计为每组组间距3 m，钻孔直径94 mm，上下顺槽施工的顺层钻孔要实现交叉，其长度一般不少于10 m。每完成1 个钻孔施工，都有及时采用水泥、聚氨酯等封孔材料对钻孔进行注浆封孔，封孔长度不少于15 m。封孔示意图如图3 所示。注浆、封孔结束后要及时进行联孔抽放，一般要求不超过24 h。

图3 顺层钻孔封孔示意图

2.4 动压区抽放措施

工作面上下顺槽内施工的顺层钻孔，随着时间的延长，抽放效果逐渐减弱，抽放的瓦斯浓度逐渐降低，基本起不到抽放作用，暂时关闭。但随着工作面不断向前回采，煤层会受到工作面采动应力影响，煤体会逐渐形成裂隙，煤层透气性也随之增加[3]，此时，再次利用该段动压区内的钻孔进行抽放，瓦斯抽采效果比较好，故该区域内的钻孔在距离切眼较近时，要再次开启。本文以已回采的2303 工作面为例，如图4 所示（图中为2303 工作面上顺槽9 组8 号孔的抽放浓度随工作面推进变化曲线）。

图4 动压区钻孔抽放浓度变化示意图

根据图4 中曲线变化可以看出，随着采煤工作面的向前回采推进，当顺层钻孔在距离切巷30～5m时，70%以上的钻孔抽采浓度出现逐步上升趋势，直至工作面推到钻孔位置为止。经对2303 工作面回采期间动压区内的顺层钻孔在重新打开抽放后的瓦斯抽采浓度进行分析统计，重新开启的钻孔累计瓦斯抽放量达到9.5 万m3。

图5 巷旁高位钻孔布置示意图

2.5 顺槽巷帮高位钻孔抽采瓦斯技术

根据工作面煤层赋存条件和煤层瓦斯含量分布情况，在距离工作面切眼向外50 m 处的顺槽内开始设计施工巷帮高位钻孔用以控制工作面上隅角及上切口向下40 m 范围采空区内的瓦斯。巷旁高位钻孔沿走向呈扇形布置，每循环布置3 组钻孔，循环间距20 m，每组2 个钻孔，钻孔沿走向方向间距为2 m，钻孔终孔位置上下垂直间距为3 m，钻孔直径为94mm，巷旁高位钻孔布置示意图如图5 所示。钻孔深度根据工作面煤层厚度进行调整，控制在20～60 m，钻孔封孔注浆方式与顺层钻孔相同。根据对2303 工作面施工的巷帮高位钻孔瓦斯抽采数据进行统计可知，钻孔平均抽采瓦斯浓度可以达到19%以上，抽采负压在22.15 kPa 左右，抽放流量在9.58 m3/min。

3 工作面回采期间瓦斯综合治理补充措施

3.1 隅角抽放措施

工作面回采过程中，因上隅角风流不畅，经常会出现瓦斯积聚造成瓦斯超限问题[4]。在工作面上隅角采取埋管抽放瓦斯可有效解决此问题。将上顺槽安装的抽放管路系统延伸至距工作面切眼20 m 位置，然后将直径为250 mm 的钢管更换成软管连接，将软管联接延伸至上隅角处，联接1 根直径为100 mm，长度为3.5 m 使用钢管加工成的抽放器，抽放器前端进行封堵密闭，前部2.5 m 管路上密集打设φ5 mm 的小孔。将上隅角使用煤袋进行密闭时将抽放器埋入上隅角密闭区域内，抽放器埋深距顶板0.3 m、距巷帮0.5～1 m 位置，随着工作面向前回采循环挪移抽放器和抽放管路（具体埋管布置如图6 所示）。每班安排专人对管路进行维护并定期对隅角瓦斯抽放参数进行测量，检查抽放效果。

通过采取隅角埋管抽放瓦斯措施后，上隅角瓦斯浓度明显下降，经测量统计发现，上隅角瓦斯浓度由原1%～1.5%下降至0.6%以下，上隅角瓦斯积聚现象得到明显改善。

图6 工作面上隅角埋管瓦斯抽放示意图

3.2 煤壁注水措施

研究表明，煤体被注水湿润锈结后，其整体稳定性和抗压能力得到提高，弹性变形量减小，从而使瓦斯应力和压力梯度降低。同时水注入到煤体裂隙后，增大了瓦斯流动阻力，对瓦斯释放初速度有一定抑制作用，减少了瓦斯集中涌出量，防止瓦斯集中涌出出现超限现象。

2303 工作面在回采期间在切巷对煤壁进行超前注水，注水孔深度8 m，采用直径为76 mm 的钻头施工，注水孔单排布置，距支架顶梁0.5～1 mm，仰角10°～15°（根据煤层厚度调整），注水孔间距6 m。通过对工作面煤壁进行超前注水，不仅有效降低了工作面的瓦斯集中涌出量，煤体充分湿润锈结后，提高了煤体强度，减少煤墙片帮，而且有效降低了工作面煤尘，为工作面生产创造了良好的作业环境。同时在施工注水钻孔时，能够对工作面前方瓦斯应力、地质构造和煤层赋存变化情况进行探查，为工作面下一步安全生产和技术措施的制定提供了参考依据。

4 瓦斯治理效果分析

在采取上述综合瓦斯防治措施以后，2303 工作面在回采过程中绝对瓦斯涌出量由原来的5.2 m3/min下降到4.1 m3/ min 以下，风排瓦斯浓度由原来的0.38%降低到0.18%，工作面生产期间，未发生过瓦斯集中涌出和瓦斯超限事故，工作面实现安全生产。

5 结束语

根据常村煤矿瓦斯地质条件及赋存情况，提出区域消突和局部消突措施相结合的方法治理工作面煤层瓦斯，通过采取综合瓦斯治理措施以后，工作面绝对瓦斯涌出量和风排瓦斯浓度得到明显降低，达到了规定指标以下数值，实现了安全生产。该综合措施的成功应用，为今后矿井瓦斯治理提供一定的借鉴。