沙曲一矿4206工作面瓦斯抽采设计与应用研究

郭辉

（华晋焦煤有限责任公司 沙曲一矿，山西 吕梁 033015）

0 引 言

我国高瓦斯、突出煤层赋存较多，安全开采一直是矿井面临的技术难题[1-3]。尤其是工作面开采期间瓦斯浓度、瓦斯压力超限极易导致瓦斯事故发生。国内外专家学者及现场工程技术人员，针对高瓦斯、突出煤层的瓦斯抽采防治技术开展了卓有成效的研究和现场实践，产生了大量实用科技成果。程志恒等[4-5]针对近距离煤层群开采，提出了井上与井下联合防突技术，并建立了动态效果评价机制，成功应用于沙曲一矿。刘兆宇[6]以王家岭矿18104工作面瓦斯抽采为背景，提出了本煤层瓦斯预抽采及采中高位钻孔抽采相结合的瓦斯治理方案。王宁[7]根据工作面瓦斯涌出规律，提出了1203工作面瓦斯抽采方案，保证了工作面安全开采。赵贤月[8]利用数值模拟方法研究了工作面顺层抽采技术，获得了最佳的大直径钻孔抽采技术参数。赵明卿[9]针对211西工作面瓦斯治理问题，设计了底抽巷穿层抽采和本煤层顺层抽采联合抽采方案并进行了现场应用，消突效果好。姚美红[10]分析了工作面回风隅角瓦斯积聚影响因素，提出了工作面综合抽采方法，预防工作面瓦斯超限。郝晓伟[11]针对中兴矿1415工作面高瓦斯抽采问题，提出了全方位立体抽采方案，瓦斯抽放率达到了61.4%，工作面开采期间瓦斯浓度一直低于0.4%。

1 工程概况

沙曲一矿4206工作面为二采区第6个回采工作面，北面为4207采空区，南面至高家山村保护煤柱，东面为大巷，西面为未开拓区。工作面埋深在421~621 m，地表为典型的黄土梁峁结构。工作面开采3+4号煤层，煤层厚度3.9~4.3 m，平均厚度为4.1 m。煤层倾角0~7°，平均4°。工作面直接顶为灰黑色泥岩，厚度5 m；老顶为浅灰色细砂岩，厚度为6 m；直接底为深灰色细砂岩，厚度为3.6 m；老底为深灰色泥岩，厚度为1.5 m。3+4煤层与下部5号煤层间距为5.1 m，属于近距离开采煤层。3+4煤层及其下部5号煤层均具有突出危险性，一旦4206工作面开采，两煤层间煤岩发生破坏，5号煤瓦斯将通过煤岩裂隙向4206工作面采空空间流动，容易造成瓦斯超限等问题。

4206工作面走向长度243 m，倾向长度1 586.5 m，采用倾斜长壁后退式综采工艺回采。工作面机轨合一巷采用切顶留巷工艺，两进一回“Y”型通风方式。

4206工作面布置及通风系统如图1所示。

图1 4206工作面布置及通风系统Fig.1 Layout and ventilation system in NO.4206 Face

2 工作面瓦斯抽采设计

4206工作面的3+4号煤层及其下部5号煤层均是突出煤层，因此必须同步考虑瓦斯抽采设计。基于此，提出工作面本煤层顺层抽采+裂隙带滞后抽采+下邻近层抽采的瓦斯联合抽采技术方案。

2.1 本煤层顺层瓦斯抽采设计

4206工作面本煤层瓦斯抽采钻孔主要分为3种形式布置。第一种在原4207配巷南侧帮，向4206工作面方向布置瓦斯抽采钻孔，设计8组预抽4206工作面顺层定向区域预抽钻孔，方位角均为179°，共计钻孔45个，孔间距10~15 m，孔径105 mm。

第二种在5207轨道巷南侧帮沿4206工作面回采方向布置穿层定向预抽钻孔，其中布置了7组“开孔扇形、终孔平行”方式布孔，即“先穿层至4号煤，后顺4号煤层平行钻进”共计65个钻孔，同一钻场相邻钻孔开孔间距0.5 m，终孔间距10~20 m，目标方位角均为179°，单孔平均孔深345 m，孔径均为105 mm。抽采穿岩段空白区瓦斯，在5207轨道巷南侧帮设计穿层平行钻孔，提前预抽4206进风巷和5207轨道巷，施工4206工作面3+4号煤区域预抽钻孔相邻钻孔终孔间距为12~20 m，终孔直径105 mm，布置钻孔173个，平均孔深39 m。

第三种分别在4206机轨合一巷北侧帮和4206进风巷南侧帮设计本煤层平行钻孔，孔径94 mm，平均孔深为169 m，孔间隔15 m，共设计165个钻孔。

2.2 下邻近层穿层瓦斯抽采设计

4206工作面下部5号煤层瓦斯抽采设计分别在5207轨道巷内和4206回风巷内布置开孔扇形、终孔平行穿层钻孔，其中5207轨道巷设计布置4组21个钻孔，孔径105 mm，同一钻场相邻钻孔开孔间距0.5 m，各钻孔终孔间距20~30 m，目标方位角均为179°，平均孔深343 m。为了补充三角空白区在5207轨道巷南侧帮南侧切眼以外551~626 m和684~864 m段设计平行钻孔19个，孔径94 mm，各钻孔终孔间距15 m，目标方位角均为179°。4206回风巷北侧帮钻场设计开孔扇形、终孔平行穿层钻孔，共5组47个钻孔，孔径105 mm，同一钻场相邻钻孔开孔间距0.5 m，各钻孔终孔间距15~30 m。共计87个下邻近层5号煤层瓦斯抽采钻孔。

2.3 工作面裂隙带瓦斯抽采设计

为了防范采空区裂隙带内瓦斯积聚，设计在4206工作面回风巷内向覆岩上方裂隙带内布置抽采钻孔。第一种钻孔布置在4206回风巷一横贯处西侧帮、4206回风巷一横贯往里515 m处北侧帮及4206回风巷一横贯往里1 010 m处北侧帮钻场内，共沿工作面倾向方向布置3组大孔径裂隙带定向长钻孔，布孔形式为“开孔扇形、终孔平行”和“开孔后先穿层至目标采高层位、后按照目标方位角和设计采高层位定向施工至设计孔深”的钻进工艺，每组布置3个钻孔，共布置9个裂隙带定向长钻孔，钻孔终孔直径为203 mm。每组内相邻钻孔开孔间距为1 m，终孔间距10 m。钻孔终孔端控制在顶板以上8~10倍采高位置。

第二种钻孔布置在4206回风巷距四横贯10~31 m段处北侧帮，沿走向布置4组扇形采空区和裂隙带抽采钻孔，每组钻孔组间距为6 m，孔径均为153 mm，孔深在79~100 m，开孔倾角在12°~41°，各钻孔终孔间距均为3 m，终孔端控制在顶板以上3~15倍采高位置。钻孔布置如图2所示。

图2 工作面瓦斯抽采钻孔布置Fig.2 Layout of gas drainage borehole in working face

3 工作面瓦斯抽采效果

5207轨道巷及4207配巷中的瓦斯抽采工作已经在2 a前完成，这里仅分析工作面开采期间正在实施抽采的机轨合一巷和回风巷中的钻孔抽采。

3.1 工作面初采阶段瓦斯效果

4206工作面机头推进18 m、机尾推进12 m后支架后部顶板全部垮落，证明工作面初采期结束。工作面初采期间工作面风量实际风量1 302 m3/min（设计风量1 065 m3/min），机轨合一巷风量现场风量364 m3/min（设计风量470 m3/min），工作面瓦斯浓度为0.34%左右，回风瓦斯浓度为0.42%左右，风排瓦斯量7.44 m3/min。瓦斯抽采纯量12.73 m3/min，其中4206机轨合一巷抽采纯量2.30 m3/min，4206回风巷抽采纯量10.43 m3/min绝对瓦斯涌出量20.17 m3/min，瓦斯抽采率达到63%。

3.2 工作面正常回采阶段瓦斯抽采效果

以2022年3月抽采数据为例进行分析。工作面月推进255 m，进风巷风量1 120 m3/min，4206机轨合一巷三横贯以里740 m3/min。平均风排瓦斯量11.23 m3/min，瓦斯抽放总量25.93 m3/min，绝对瓦斯涌出量37.16 m3/min，瓦斯抽采率达69.90%，瓦斯抽采效果良好。

图3为工作面各测点瓦斯浓度变化曲线，由图3可知，进风巷瓦斯浓度在0.06%~0.08%，最大瓦斯浓度0.08%；机轨合一巷瓦斯浓度0.18%~0.24%；工作面瓦斯浓度在0.24%~0.4%，割煤期间工作面甲烷浓度平均增加0.16%；回风巷瓦斯浓度在0.40%~0.49%，割煤期间回风甲烷浓度平均增加0.38%。

图3 工作面瓦斯浓度变化曲线Fig.3 Variation curve of gas concentration in working face

图4为工作面瓦斯抽采曲线，由图4可知，机轨合一巷瓦斯采量在2.62~3.02 m3/min。回风巷瓦斯抽采量在21.21~28.52 m3/min。机轨合一巷瓦斯抽采量小，仅为回风巷瓦斯抽采量的12.39%，这主要是机轨合一巷内布置的抽采钻孔少，仅作为辅助本煤层瓦斯抽采。工作面开采期间，瓦斯抽采量比较平稳，几个峰值位置均为工作面来压期间，抽采量增大。

图4 工作面瓦斯浓度变化曲线Fig.4 Variation curve of gas concentration in working face

4 结 论

（1）3+4号煤与5号煤层间距平均仅为5 m，属于近距离煤层，且两煤层均具有突出危险，当开采3+4号煤层时必须同时考虑5号煤瓦斯对3+4号煤层工作面瓦斯涌出浓度的影响，需要综合考虑两层煤瓦斯治理及消突措施。

（2）根据4206工作面及其下部5号煤的煤岩条件及瓦斯赋存规律，设计了工作面本煤层顺层抽采+裂隙带滞后抽采+下邻近层抽采的瓦斯联合抽采技术方案，实施了采前预抽、采中抽放的全方位瓦斯抽放技术。

（3）现场对工作面回采期间风量、瓦斯浓度监测结果表明，风量均满足设计要求，机轨合一巷、工作面回风巷瓦斯浓度均小于0.5%，瓦斯抽采率在63%~69.9%，有力保证了工作面安全高效开采，为近距离突出煤层瓦斯治理提供了借鉴。