综采工作面初采坚硬顶板控制及瓦斯治理技术研究

柯国焘

（山西汾西宜兴煤业有限责任公司，山西 孝义 032300）

综采工作面初采期间是安全生产的重要环节，当开采煤层顶板为坚硬岩层时，顶板大面积垮落会引起采空区瓦斯异常涌出，导致采面、回风隅角、回风巷等位置瓦斯超限，给煤炭安全回采带来威胁[1-3]。文中就以山西某矿3102综采工作面回采为工程背景，针对开采的3号煤层顶板坚硬问题，提出使用深孔爆破、水压压裂等技术手段对坚硬顶板进行处理，并通过强化配风、采空区瓦斯抽采等方式进行瓦斯治理，实现了工作面初采期间煤炭高效回采。

1 工程概况

山西某矿3102综采工作面设计倾向长150 m、走向长1 450 m，回采3号煤层，煤层厚度平均2.5 m，倾角5°，赋存稳定。3号煤层顶板为坚硬的砂岩以及灰岩，其中直接顶为厚度4.5～6.4 m粉砂岩、基本顶为厚度4.9～7.3 m石灰岩。底板以泥岩为主。工作面共计布置88台型号ZY6800-22/35D液压支架支护顶板，全部垮落法处理采空区顶板，根据其他采面3号煤层开采情况预测，3102综采工作面在正常回采期间周期来压步距为20～30 m、初次来压步距45～65 m。

受到区域地质构造影响，3102综采工作面开采范围内煤层瓦斯含量较高，原始瓦斯含量达到9.6 m3/t，采用本煤层瓦斯抽采钻孔预抽6个月后，煤层残余瓦斯含量降至4.8 m3/t。

由于3号煤层顶板坚硬，采面在初采期间不容易垮落，容易导致采空区顶板大面积悬空、瓦斯集聚，同时当采空区顶板突然垮落时采空区瓦斯会异常涌出。为此，需要针对3102综采工作面初采特点，采取针对性的顶板控制以及瓦斯治理措施。

2 初采坚硬顶板控制技术

实现3号煤层坚硬顶板弱化，减少采空区顶板悬空面积，可明显降低坚硬顶板对采面初采影响。为此，文中提出采用深孔预裂爆破技术对顶板进行处理，并辅助采用浅孔强制放顶、水力压裂等技术实现顶板及时垮落[4-7]。

2.1 深孔预裂爆破

在3102综采工作面推进之前，在采面内间隔10 m间距布置一排深孔预裂爆破钻孔，钻孔编号为A1～A14，钻孔仰角为30°，且向回风巷方向施工；单个爆破钻孔孔深控制在25 m，封孔深度5.0 m以上，单个爆破孔装入为10 kg以上。采面推进15 m后，在采面内布置按照10 m间距布置一排深孔预裂爆破钻孔，钻孔编号B1～B14，仰角30°，钻孔向采面推进方向有45°倾斜角。具体采面内深孔爆破钻孔布置如图1所示。

图1 深孔爆破钻孔布置示意图

2.2 强制放顶

在采面回采期间切眼液压支架间布置浅孔，爆破强制放顶；采面推进2.5 m、5.0 m后再进行2次爆破，确保3号煤层直接顶可随着采面推进直接垮落。浅孔强制放顶爆破钻孔孔深5.0 m，封孔长度2.5 m，浅孔强制放顶爆破钻间隔一个支架一个，钻孔朝向采空区方向且有60°仰角。钻孔施工采用锚杆钻机，配合Φ40 mm钻头。单个浅孔强制放顶爆破钻孔装入炸药量为1.0 kg。

2.3 水力压裂弱化顶板

当采用深孔预裂爆破、浅孔强制放顶爆破效果不佳时，可采用水力压裂技术对顶板进行进一步弱化。水力压裂钻孔布置在采面内，间隔1台液压支架施工，单个钻孔孔深控制在8～10 m。钻孔孔径均为33 mm，封孔采用专用封孔器，长度控制在5 m以上。单个水力压裂钻孔致裂压力控制在10 min以上。水力压裂采用乳化泵作为动力源，提供的高压水压裂在15 MPa以上。

3 初采期间瓦斯治理技术

3.1 强化配风

在采面初采期间按照生产设计要求进行配风，采面配风量控制在1 550 m3/min以上，每隔5 d进行一次全面测风。采面上、下出口位置巷道高度应满足作业规程要求，禁止在采面回采巷道内长时间存放矿车或者码放材料，降低采面通风阻力，确保通风线路顺畅。

采面在初采期间采用双瓦斯工跟班制度，一个瓦斯工进行常规瓦斯浓度检测，一个瓦斯工跟机进行瓦斯浓度检测。在采面正常割煤时，瓦斯工在采煤机下风侧5 m位置采用便携式瓦检仪、光学干涉瓦检仪进行瓦斯浓度检测，当测定瓦斯浓度（体积分数，下同）超过0.5%时，应适当降低采煤机割煤速度；当瓦斯浓度超过0.8%应停止采煤机割煤。

3.2 采空区瓦斯涌出治理

构建采空区瓦斯低负压抽采系统，接入一趟Φ200 mm低负压瓦斯抽采管路进切眼内，预埋管路进入到切眼内距离控制在6.0 m以上；在采空区内进行埋管瓦斯抽采，间隔30 m布置一趟采空区瓦斯抽采管路，对采空区瓦斯进行抽采。

强化采面上下端头位置漏风管理，在采面移架时对端头位置挡风设施工作情况进行检查，确保设施可平稳运行，以便减少采空区漏风量。每班均安排专人检查采空区上下端头位置悬顶面积，当悬顶面积超过规定值时采用深孔爆破方式进行强制放顶。

安排专业人员对采空区内气体成分进行化验分析，当监测到采空区内遗煤有自燃发火危险性，则通过布置的注氮管路向采空区进行注氮，确保采面回采安全。

4 现场应用效果分析

在3102综采工作面初采期间，采用矿压监测系统对采面来压进行监测。在采面初采期间综合采用深孔预裂爆破、浅孔爆破强制放顶以及水力压裂技术等对顶板进行弱化处理，根据矿压监测系统监测参数显示，采面在推进27 m时顶板初次来压，在推进至41 m时第一次出现周期来压，采面初次来压步距、周期来压步距分别为27 m、14 m。

在采面初采期间，对回风隅角、回风巷内瓦斯浓度进行自动监测、人工检测，测定发现采面回风隅角位置瓦斯浓度始终在0.5%以内，回风巷内瓦斯浓度均控制在0.38%以内，虽然在顶板初次来压、周期来压期间回风隅角以及回风巷内瓦斯浓度有所增加，但是增幅均在0.05%以内，不会给采面安全回采带来影响。

5 结论

3102综采工作面在初采期间综合采用深孔预裂爆破、浅孔爆破强制放顶、水力压裂等技术手段对3号煤层坚硬顶板进行处理，并通过强化采面通风管理、采空区瓦斯抽采等技术手段控制初采期间瓦斯浓度。通过顶板弱化，降低了采空区顶板悬空面积，实现采空区直接顶随采随垮并减少基本顶初次垮落距离。强化通风及采空区瓦斯抽采后，采面内回风隅角、回风巷内瓦斯浓度分别控制在0.5%、0.38%，确保了采面初采安全。