鳳凰山礦15＃煤層U型通風(fēng)工作面高位鉆場鉆孔瓦斯抽放技術(shù)研究

周春山 王俊峰 遲克勇 鄔劍明 武旭峰

（1.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西省太原市，030031；3.山西晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司鳳凰山礦，山西省晉城市，048007）

鳳凰山礦于1970年投產(chǎn)至今，3＃煤層已回采結(jié)束，9＃煤層儲量接近枯竭，目前主采15＃煤層，生產(chǎn)能力400萬t／a，屬瓦斯礦井。由于15＃煤層地質(zhì)條件相對復(fù)雜，巷道掘進(jìn)速度慢，為最小程度地減少工作面巷道的掘進(jìn)量，保證礦井生產(chǎn)的正常銜接，鳳凰山礦在15＃煤層三水平南翼盤區(qū)首采面151304工作面采用一進(jìn)一回的U型通風(fēng)系統(tǒng)。通過對151304工作面長1080 m回風(fēng)巷的瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)的現(xiàn)場測試，測得煤層瓦斯含量2.36 m3／t，屬氮?dú)狻淄閹?。該工作面?012年5月3日開始回采，開采初期上隅角、工作面及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓闆r如圖1所示。在工作面強(qiáng)制放頂和老頂來壓時(shí)，各地點(diǎn)瓦斯均出現(xiàn)超限現(xiàn)象，需結(jié)合工作面開采實(shí)際情況，采取針對性瓦斯治理措施，保證礦井的安全生產(chǎn)。

圖1 151304工作面開采初期瓦斯涌出變化曲線圖

1 151304工作面概況

151304工作面為鳳凰山礦15＃煤層三水平南翼盤區(qū)首采工作面，煤層平均厚2.07 m，屬較穩(wěn)定可采煤層，煤層傾角平均為3.5°，工作面老頂、直接頂為 K2石灰?guī)r，厚8.99～9.22 m，平均厚度9.11 m，無偽頂。上覆9＃煤層為92304工作面（2002年回采完畢）、92306工作面（2007年回采完畢）、91324綜采面（已回采）及151304切眼往外272 m 9＃煤層實(shí)體煤，9＃煤層與15＃煤層平均層間距為29.42 m。151304工作面存在2條6.0～7.0 m落差的逆斷層，采用傾斜長壁一次采全高自然垮落后退式綜合機(jī)械化采煤方法，一進(jìn)一回的U型通風(fēng)系統(tǒng)。

2 151304工作面瓦斯超限來源分析

根據(jù)151304工作面煤層賦存條件，由于其頂板為極堅(jiān)硬的K2石灰?guī)r不易冒落，在頂板冒落前與上覆煤巖層裂隙不發(fā)育，瓦斯涌出量基本保持不變，但當(dāng)工作面采取強(qiáng)制放頂后，直接頂垮落，應(yīng)力急劇變化，造成上覆9＃煤層中卸壓瓦斯大量瞬時(shí)涌入回采工作面，導(dǎo)致工作面各地點(diǎn)瓦斯?jié)舛燃眲≡黾印?/p>

151304工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍陧敯迕奥淝盀?.30%，而冒落后瓦斯?jié)舛燃眲∩仙?.10%，此時(shí)工作面配風(fēng)量約850 m3／min，該工作面冒落前風(fēng)排瓦斯量約2.55 m3／min，冒落后風(fēng)排瓦斯量約9.35 m3／min。增加的瓦斯涌出量主要來源于上鄰近層9＃煤層的瓦斯涌出，可見上鄰近層9＃煤層瓦斯涌出是造成151304工作面瓦斯超限的主要來源。

3 高位鉆孔抽放瓦斯技術(shù)在151304工作面的應(yīng)用

由于151304工作面上覆9＃煤層靠近斷層附近，屬高瓦斯富集區(qū)，原始瓦斯含量約12 m3／t，且煤層松軟，本煤層瓦斯抽放困難，有272 m的實(shí)體煤未采動(dòng)。隨著15＃煤層的開采，改變了15＃煤層和上覆9＃煤層巖層的原始透氣性和封閉狀態(tài)，9＃煤層瓦斯會(huì)瞬時(shí)大量涌向15＃煤層工作面，因此，設(shè)計(jì)在采空區(qū)頂板裂隙區(qū)布置高位鉆場鉆孔組，直接對9＃煤層卸壓瓦斯進(jìn)行抽采和攔截，并改變15＃煤層采空區(qū)瓦斯流動(dòng)狀態(tài)，減弱采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度，從根本上解決瓦斯超限難題。

3.1 高位鉆場施工

從151304回風(fēng)巷距離開切眼120 m向煤柱側(cè)施工長10 m、寬2.5 m和高2 m的下平巷，再平行于回風(fēng)巷向工作面仰角30°爬坡施工長19.5 m、寬2.5 m和高2 m的斜巷，然后施工寬2.5 m、深5 m和高2.5 m的絞車硐，再垂直回風(fēng)巷側(cè)施工寬5 m、深4 m和高2 m的高位鉆場，采用錨網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。高位鉆場布置見圖2。

圖2 高位鉆場布置示意圖

3.2 高位鉆場鉆孔布置參數(shù)

利用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法，鳳凰山礦151304工作面上覆堅(jiān)硬巖層 “三帶”中冒落帶高度為7.65～12.67 m，裂隙帶高度為37.26～55.06 m。根據(jù)采空區(qū)頂板巖層移動(dòng) “三帶”理論和采空區(qū)內(nèi)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，有效鉆孔高度應(yīng)位于冒落帶頂端和裂隙帶的中下部，其高度應(yīng)距15＃煤層頂板12.67～37.26 m。因此設(shè)計(jì)在高位鉆場呈扇形布置頂板高位鉆孔24個(gè)，開孔高度距9＃煤層頂板12.50 m。具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，151304工作面頂板高位鉆孔布置見圖3。

圖3 151304工作面頂板高位鉆孔布置圖

表1 151304工作面頂板高位鉆場鉆孔參數(shù)

3.3 抽放管路布置

高位鉆場鉆孔施工完畢采用 “合成樹脂＋膨脹封孔劑”及時(shí)封孔后進(jìn)行聯(lián)孔，與抽放主管路相連，并在鉆孔開口處施工永久密閉。抽放主管路采用直徑為355 mm PE管，沿151304工作面回風(fēng)巷左幫布置，保證管路吊掛平直，離地高度約500 mm，管路中安設(shè)U型壓差計(jì)、孔板流量計(jì)和高負(fù)壓管道取樣器，并在管路低洼處留有放水三通。

3.4 瓦斯抽放效果分析

根據(jù)工作面回采速度、老頂來壓周期、采空區(qū)垮落情況（包括垮落的長度、寬度、高度）觀測工作面瓦斯涌出隨回采進(jìn)度變化情況，見圖4。由圖4可知，采空區(qū)頂板垮落為9＃煤層瓦斯涌入151304工作面提供良好的通道，隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂板裂隙帶逐漸發(fā)育，瓦斯涌出量逐漸增大，工作面各點(diǎn)瓦斯?jié)舛纫仓饾u上升。當(dāng)工作面推進(jìn)至27.4 m后，隨著采空區(qū)頂板大面積垮落，鉆孔瓦斯抽放量、抽放濃度驟增，并隨著瓦斯抽放和風(fēng)流稀釋作用，瓦斯?jié)舛戎饾u降低，并在下一次頂板垮落后再次增加。

現(xiàn)場測定數(shù)據(jù)表明，在采取頂板高位鉆場鉆孔抽放后，各孔抽放濃度達(dá)到40%～48%，抽放流量為0.7～1.7m3／min，上隅角、回風(fēng)巷、工作面和采空區(qū)瓦斯最大濃度分別為0.43%、0.35%、0.28%和1.40%，抽放效果比較明顯，有效減少了瓦斯超限事故的發(fā)生，說明鉆孔設(shè)計(jì)比較合理，達(dá)到了預(yù)期的效果。

圖4 工作面瓦斯涌出隨回采進(jìn)度變化趨勢圖

4 結(jié)論

（1）鳳凰山礦151304工作面上覆9＃煤層的瓦斯涌出是工作面瓦斯涌出的主要來源。

（2）高位鉆場鉆孔組具有布置鉆孔多、抽放瓦斯?jié)舛雀?，可有效抽采和攔截9＃煤層卸壓瓦斯向15＃煤層采空區(qū)的涌入，并有效改變15＃煤層采空區(qū)瓦斯流態(tài)，從根本上解決了上鄰近層瓦斯大量瞬時(shí)涌入造成工作面瓦斯超限的難題。

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