回采工作面厚煤层、高瓦斯区综合治理技术研究

摘 要：白坪煤业公司主采二1煤层，二1煤层是典型的“三软”不稳定煤层，煤层变异系数大，且煤厚的区域煤层瓦斯含量随之增加，其中13101工作面与21021工作面在回采初期均遭遇了煤层厚、瓦斯含量高的双重挑战，为工作面的回采带来严重影响，针对此情况，公司采取一系列措施，对工作面煤层瓦斯进行了综合性的治理，保证了安全回采，同时，通过该两个工作面瓦斯综合治理措施的采取，为公司后期回采工作面瓦斯治理技术积累了宝贵的技术经验。

关键词：回采工作面；高瓦斯；综合治理

1 工作面概况

13101工作面设计走向长732m，倾向宽140m，工作面煤厚0.5～25m，平均煤厚5.1m，煤层倾角为9～16°，平均12°，工作面瓦斯含量3.18～11.65m3/t，平均瓦斯含量6.13m3/t。13101工作面回采初期走向方向150m范围内煤厚6～18m，平均13.5m，煤层瓦斯含量5.62～7.72m3/t，平均瓦斯含量6.68m3/t，煤炭储量约40万t，瓦斯储量267.2万m3，回采初期绝对瓦斯涌出量达到13m3/min。

21021工作面设计走向长632m，倾向宽147m，工作面煤厚0.1～17.5m，平均煤厚4.7m，煤层倾角为5°～21°，平均17°，工作面瓦斯含量3.56～7.01m3/t，平均瓦斯含量4.59m3/t。21021工作面回采初期走向方向100m范围内煤厚6～17.5m，平均12m，煤层瓦斯含量5.64～7.01m3/t，平均瓦斯含量6.32m3/t，煤炭储量约25万t，瓦斯储量158万m3，回采初期绝对瓦斯涌出量达到14m3/min。

通过概况可知，13101工作面、21021工作面均遭遇了厚煤层、高瓦斯含量的阻碍，为此，两个工作面在该区域回采期间先后采取了若干措施对工作面瓦斯进行综合治理。

2 优化通风系统

两个回采工作面贯通时供风量分别只有800m3/min左右，远远达不到工作面生产技术需求，为此主要采取了以下措施：

对矿井井下所有通风设施进行全面排查，重点对井下风门、调节窗、过皮带装置与缆线孔、溜煤眼等地点，同时调整了东翼风井主扇风叶角度，增大了13采区的供风总量，13采区的供风量由原先的7000m3/min增加7600m3/min，之后通过系统调整将13101工作面的风量增加至2100m3/min。

为保证21021工作面回采期间风量满足瓦斯治理需要，停止了21071下底抽巷、西翼皮带暗斜井、21061下底抽巷的供风；打开-175m水平并联进风石门的风门、拆除21021下顺槽回风巷的挡风墙、在西翼暗斜井回风斜巷与21021上顺槽回风斜巷联巷交叉口建立挡风墙等一系列措施，调整了21021工作面的进风路线，通风路线不再经过21采区一车场进入工作面，而是直接通过原21021下顺槽回风巷直接进入21021工作面，最终将21021工作面的风量增加至2010m3/min。

3 瓦斯抽采措施

工作面回采时的主要瓦斯来源一是煤层涌出瓦斯；二是采空区积存瓦斯、邻近层或围岩涌出瓦斯。针对上述瓦斯来源，煤层瓦斯采取顺层钻孔及动压区抽放降低煤层瓦斯含量，达到降低煤层涌出瓦斯量的目的。

采空区瓦斯采取上隅角埋管、高位钻孔、架间插管等对采空区遗煤、邻近层、围岩涌出瓦斯进行抽放，减少采掘空间内瓦斯量。

为提高抽采效率，针对不同特点采用不同瓦斯抽放系统，其中煤层瓦斯使用高负压瓦斯抽放泵抽放，采空区瓦斯使用低负压瓦斯抽放泵抽放。

3.1 顺层钻孔抽放

该措施主要针对工作面回采前方一定范围（保持动态超前切巷不少于50m）内煤层厚度大于6m且瓦斯含量大于5m3/t的区域通过在上、下顺槽内施工顺层抽放钻孔对煤层瓦斯进行抽放，以达到降低煤层瓦斯含量、减少瓦斯涌出量的目的。

该钻孔按照组间距2.4m、单组终孔间距3m的方式布置，钻孔直径：94mm，上、下行孔交叉长度不小于10m。

钻孔施工完成后，采用“两堵一注”封孔工艺并按照“顺、护、注”的顺序进行封孔，封孔材料包括护孔用的PVC管、相应接头、注浆与返浆用的铝塑管、聚氨酯、水泥等，钻孔全程护孔、封孔段长度为18m。要求钻孔成孔后2小时内进行顺孔、封孔，48小时内完成注浆，注浆水灰比列1：1。

钻孔封孔、注浆结束后24小时内使用与PVC管规格匹配的埋线胶管进行联网开始抽放、计量。

3.2 动压区抽放

顺层钻孔在抽放一定时间后，浓度逐渐衰减，失去抽放价值，但随着工作面的逐步推进，煤体受采动影响，煤体发生裂隙后增加煤层透气性，在距离切巷5～100m范围内（动压区）的顺层钻孔抽放浓度再次上升，瓦斯抽放效果明显，故该部分钻孔在临近切巷时，暂不回收，而是再次开启。

通过对13101工作面与21021工作面动压区内钻孔抽放数据的每天计量、分析、统计，随着工作面的推进，原先施工的顺层钻孔有74%浓度呈上升趋势，之后逐步衰减，直至拆除。经统计，13101工作面内动压区内的抽放钻孔在重新开启后，累计抽放瓦斯达到32万m3，21021工作面内动压区内的抽放钻孔在重新开启后，累计抽放瓦斯达到8.9万m3。

3.3 巷旁高位钻孔抽放

13101工作面与21021工作面均主采二1煤层，该煤层无根据工作面上顺槽实揭煤厚情况及瓦斯含量分布情况，设计在开切眼向外40m处的施工第一循环巷旁高位钻孔，钻孔呈扇形布置，钻孔终孔位于煤层顶板上方30m的裂隙带内，孔间距3m，依次向工作面内部延伸，设计6个钻孔，控制上隅角以下35m范围，孔径为94mm，第一循环向外依次每20m施工一循环，每循环根据工作面实揭瓦斯地质情况布置，封孔方法同于顺层钻孔。通过瓦斯抽放数据统计，高位钻孔平均抽放浓度可达到18%，负压21.76kPa，流量8.21m3/min。（图1）

3.4 上隅角埋管抽放

上隅角埋管抽放措施主要针对工作面上隅角内风流不能经过的死角积聚的瓦斯，采取的抽放措施，通过将工作面上顺槽的瓦斯抽放管路直接铺设至距工作面切巷20m处，使用20m软管连接抽放器，抽放器使用长3m，Φ100mm的钢管加工而成，前端封闭，前段2m旁侧密集布置Φ5mm的小孔若干个，抽放器埋入上隅角切顶线或越过切顶线2～3m高处，随采面推进循环前移。附近设浓度和流量检测口，定期测量抽放参数。（图2）

[图2 上隅角埋管瓦斯抽放示意图]

其中21021工作面由于初采初放期间未放顶煤，上隅角初期无抽放空间，利用21021工作面安装期间上出口处的两个绞车硐室进行埋管，埋管材料为直径250mm的废旧镀锌螺旋瓦斯抽放管和直径100mm的钢管，在工作面放顶煤前，埋进去的管路暂不回收，以充分利用两个硐室的空间对上隅角积聚的瓦斯进行抽放，通过该项措施的采取，上隅角抽放瓦斯浓度由原先的2%逐步提高至最高的23%，大大提高了瓦斯治理效率。

图3 21021工作面上隅角埋管瓦斯抽放示意图

3.5 架间插管抽放

根据工作面煤层赋存与瓦斯涌出情况，设计在工作面的厚煤层、高瓦斯含量区的液压支架间使用Φ32mm聚氯乙烯抽放管呈45°倾角通过支架天窗插入支架后方，插入深度0.5m左右，随工作面拉架前移，使用Φ50mm埋线胶管与支管路连接，支管路选取Φ100mm埋线胶管加设4通钢管短节，共计设置4通钢管短节5个。

3.6 注水（探查）钻孔措施

研究表明，被水湿润的煤体，力学性质发生变化，塑形提高，弹性模量减小，使地应力和瓦斯压力梯度都减小，并且水进入煤的孔隙，降低了瓦斯放散初速度，增加了瓦斯流动的阻力，一定程度上削弱了瓦斯涌出量。

通过在13101工作面与21021工作面的实践，煤体在注水后，确实减少了工作面的瓦斯涌出量，且充分锈结煤体，提高了煤体强度，煤体湿润后，大大降低了煤尘，创造了良好的工作环境，同时通过注水钻孔的施工，还可进一步探清工作面推进前方一定范围内的煤层赋存、地质构造等情况，以正确指导工作面的安全生产。

该措施主要是在工作面检修班，使用风动防突钻机在切巷沿工作面推进方向施工一定数量的钻孔，钻孔数量根据煤层厚度与赋存情况布置，孔径76mm，钻孔深度12m，施工完成后，采用专用封孔注水器进行注水，以达到缓解瓦斯涌出的目的。

4 结论

通过上述一系列措施的采取及抽采工艺与系统的优化，13101工作面的绝对瓦斯涌出量控制在了4m3/min以下，21021工作面的绝对瓦斯涌出量控制在了4.6m3/min以下，不仅保证了工作面的正常推进，而且泵站抽采浓度达到8%以上，抽采纯量超过3m3/min，达到瓦斯发电的技术要求，可以实施瓦斯发电，实现瓦斯减排的目的，具有一定的环境效益。