高位裂隙帶瓦斯預(yù)抽技術(shù)在回采工作面中的應(yīng)用

楊鵬飛

（晉能控股煤業(yè)集團安全督察大隊，山西 大同 037000）

1 工作面概況

王莊煤礦主采3#煤層，1301 綜采工作面位于王莊煤礦一采區(qū)，工作面周邊無采空區(qū)，工作面走向可采部分為切眼向外441 m，切眼長240 m，采煤工藝為綜采，頂板處理采用全部垮落法，工作面通風(fēng)方式為U 型通風(fēng)。根據(jù)礦井3#煤層瓦斯涌出量預(yù)測報告以及工作面實際情況可知，一采區(qū)范圍內(nèi)的最大瓦斯含量在11.95 m3/t 左右，1301 工作面回采期間的最大瓦斯涌出量可達14.81 m3/min，平均瓦斯涌出量在8.49 m3/min 左右。

2 瓦斯地質(zhì)情況

2.1 地質(zhì)情況

1301 綜采工作面所在3#煤層屬二疊系下統(tǒng)山西組，最小煤厚4 m，最大煤厚4.4 m，均厚4.2 m，平均煤層傾角4°，煤體硬度系數(shù)在0.5～1.0 之間，煤層存在炭質(zhì)泥巖夾矸，夾矸均厚0.7 m。該煤層煤質(zhì)為貧煤，結(jié)構(gòu)較為單一，煤層厚度變化不大，賦存穩(wěn)定，煤體以塊、粒狀為主。煤層基本頂平均厚度為13 m，由砂巖和泥巖混合構(gòu)成，巖層內(nèi)裂隙發(fā)育；直接頂平均厚度為2.4 m，由砂質(zhì)泥巖構(gòu)成；偽頂平均厚度1.3 m，由泥巖構(gòu)成，易冒落。

2.2 瓦斯賦存情況

工作面所采3#煤層瓦斯透氣性系數(shù)大致為0.099 7 m2/MPa2·d，瓦斯放散初速度△p=13～19，瓦斯涌出衰減系數(shù)為0.563 9，百米鉆孔初始瓦斯涌出量為0.128 m3/min·hm，煤層孔隙率為2.0%～3.4%。經(jīng)測定，1301 綜采工作面煤層瓦斯含量為5.96～11.76 m3/t，瓦斯殘存含量2.74 m3/t，瓦斯最大壓力值為0.45 MPa，小于0.74 MPa。

3 先期瓦斯治理措施及效果分析

3.1 先期瓦斯治理措施

1301 綜采工作面的先期瓦斯治理方式為本煤層順層鉆孔抽放與采空區(qū)埋管抽放。

（1）本煤層順層鉆孔抽放。如圖1 所示，首先在1301 工作面瓦斯排抽巷和運輸順槽交錯布置順層瓦斯抽放鉆孔，鉆孔距頂板1 m，垂直于巷幫，孔間距為5 m，孔深130 m。鉆孔施工完成后埋入抽放管，使用聚氨酯進行封孔處理。然后在工作面切眼內(nèi)垂直于煤壁布置順層瓦斯抽采鉆孔一排，孔間距為2 m，孔深60 m。鉆孔施工完成后同樣埋入抽放管并進行封孔。最終，將所有抽放管與一采區(qū)瓦斯抽放泵站的主管路連接，進行工作面瓦斯預(yù)抽。

圖1 1301 工作面順層瓦斯預(yù)抽鉆孔布置示意圖

（2）采空區(qū)埋管瓦斯抽放。工作面在回采期間，在1301 瓦斯排抽巷安裝低負壓抽采管路一趟，管路采用阻燃材質(zhì)的PVC 管，直徑為150 mm，長度為50 m，共7 根。在抽采管路上安裝三通，接入抽采花管，三通安裝間隔為20 m。隨后將花管埋入采空區(qū)進行瓦斯預(yù)抽，花管埋入長度應(yīng)大于30 m。

3.2 效果分析

對1301 工作面實施本煤層順層鉆孔瓦斯抽放及采空區(qū)埋管瓦斯抽放后，回采期間工作面內(nèi)煤壁處最高瓦斯?jié)舛葹?.1%，平均瓦斯?jié)舛葹?.4%，上隅角最大瓦斯?jié)舛葹?.1%，平均瓦斯?jié)舛葹?.4%。受到采空區(qū)瓦斯涌出的影響，在切眼87 架到131架之間的機道附近最大瓦斯?jié)舛葹?.8%，平均瓦斯?jié)舛葹?.9%，回采過程中因瓦斯超限觸發(fā)斷電共計3 次。

對工作面現(xiàn)場進行觀察分析發(fā)現(xiàn)，1301 工作面內(nèi)瓦斯來源主要為本煤層賦存瓦斯以及工作面上覆巖層裂隙內(nèi)瓦斯兩部分，其中上覆巖層裂隙內(nèi)瓦斯占比將近40%。隨著工作面推進過后采空區(qū)頂板垮落，上覆巖層裂隙內(nèi)瓦斯通過采空區(qū)涌入工作面[1-4]，僅采用本煤層順層鉆孔抽采以及采空區(qū)埋管抽采無法滿足工作面瓦斯治理需要。針對這種情況，王莊煤礦研究采用了高位裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)抽采上覆巖層內(nèi)瓦斯。

4 高位裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)

為保證1301 綜采工作面在回采期間的安全生產(chǎn)，針對上覆巖層內(nèi)賦存的瓦斯采取高位裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)。

4.1 設(shè)備選取

由于本次1301 綜采工作面上覆巖層裂隙帶瓦斯抽采鉆孔角度為仰角，使用水力沖出孔內(nèi)煤屑。選用型號為C60P-400 液壓鉆機，鉆桿規(guī)格為Ф73 mm，長1.5 m，鉆頭采用規(guī)格Ф85 mm 的三棱復(fù)合鉆頭+Ф110 mm 的擴孔鉆頭。封孔設(shè)備選用型號為SGB8-12 的注漿機，注漿效率為88 L/min，注漿機功率為22 kW，配備Ф90 mm、長1.5 m 的PE 管4根。C60P-400 液壓鉆機技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 C60P-400 液壓鉆機技術(shù)參數(shù)表

4.2 高位鉆場布置

（1）在1301 工作面瓦斯抽排巷內(nèi)沿煤層頂板施工高位鉆場，深4 m，高2.5 m，寬4.5 m，在停采線向工作面切眼方向150 m 處開始施工高位鉆場，并以50 m 間距向切眼方向繼續(xù)施工高位鉆場共6 個。

（2）鉆場頂板支護采用錨桿+JW 鋼帶、錨索+吊棚聯(lián)合。錨桿采用高強度左旋螺紋鋼材質(zhì)，打設(shè)間排距為1 m，每4 根錨桿配套一條JW 鋼帶，鋼帶長4.2 m，錨索長度為5 m，一排打設(shè)3 根錨索，每排錨索吊掛一根工字鋼梁，間距2 m，共計施工兩排。巷幫打設(shè)玻璃鋼錨桿，間排距為1.2 m×1 m，共施工兩排錨桿。

4.3 鉆孔參數(shù)

如圖2 所示，在高位鉆場內(nèi)部切眼側(cè)巷幫布置瓦斯抽放鉆孔，每個鉆場布置4 個，編號為1#～4#，開孔位置位于頂板以下1 m 處，孔間距1 m，孔徑85 mm，孔深130 m，鉆孔距巷幫0.5 m。1#孔傾角為+9°，水平夾角為30°，終孔位置與頂板垂距為19 m；2#孔傾角為+7°，水平夾角為22°，終孔位置與頂板垂距為15 m；3#孔傾角為+5°，水平夾角為14°，終孔位置與頂板垂距為10 m；4#孔傾角為+3°，水平夾角為6°，終孔位置與頂板垂距為6 m。

圖2 高位瓦斯抽采鉆孔布置平面示意圖

4.4 封孔工藝

鉆孔打設(shè)完成后，首先對鉆孔前11 m 進行擴孔處理，采用Ф110 mm 的擴孔鉆頭進行，擴孔完成后在孔內(nèi)埋入瓦斯抽放管路4 根，每根1.5 m，以絲扣連接緊固。管路下設(shè)完成后，在管路與孔壁間隙內(nèi)埋入注漿軟管，直徑為16 mm，長度6 m，下設(shè)完成后采用膨脹水泥對孔口和擴孔結(jié)束位置分別進行封孔處理，封孔長度同為0.5 m。封孔工藝示意圖如圖3。封孔完成后，連接注漿軟管與注漿泵進行注漿，向孔壁與注漿管路空隙內(nèi)注入配比為7:1:12 的水泥、石膏及清水混合漿液，注漿壓力為12 MPa。

圖3 封孔工藝示意圖

5 結(jié)論

（1）1301 工作面在回采前期，采用了順層鉆孔進行本煤層瓦斯抽放及采空區(qū)埋管抽放的方式，抽采效果未達到預(yù)期，導(dǎo)致工作面內(nèi)瓦斯頻繁超限，嚴(yán)重影響工作面生產(chǎn)安全及效率。通過對工作面現(xiàn)場進行觀察分析，發(fā)現(xiàn)工作面內(nèi)瓦斯來源為本煤層瓦斯以及上覆巖層裂隙內(nèi)瓦斯，研究采用了高位裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)對上覆巖層裂隙內(nèi)瓦斯進行抽采。

（2）截至2021 年2 月，1301 綜采工作面全部回采結(jié)束，實施高位裂隙帶瓦斯抽采技術(shù)后，工作面回采期間瓦斯涌出量明顯減少，上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?.5%以內(nèi)，機道位置瓦斯?jié)舛缺３衷?.8%以內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛缺３衷?%以內(nèi)，瓦斯治理效果顯著。工作面直至回采結(jié)束未出現(xiàn)瓦斯超限導(dǎo)致斷電的情況，工作面的生產(chǎn)安全及效率得到有效保障。