顶分层工作面瓦斯综合治理技术应用
顶分层采煤工作面瓦斯综合治理技术应用
李文龙
（淮北矿业集团公司芦岭煤矿，安徽淮北，234113）摘要：瓦斯的综合治理是每一个煤矿企业关注的一个话题，采取什么样的治理方法，必须根据实际情况去制定。本文主要是针对芦岭煤矿8煤层及瓦斯赋存条件，采用高位钻孔、上隅角埋管、底板穿层钻孔、顺层孔等瓦斯综合治理措施，有效解决了8煤顶分层工作面回采期间瓦斯超限问题。
关键词：顶分层瓦斯综合治理
1.概况
芦岭煤矿是淮北矿业集团公司煤与瓦斯突出最为严重的一对生产矿井。矿井瓦斯绝对涌出量113.85 m3/min，相对瓦斯涌出量27.45 m3/t，其中8煤瓦斯绝对涌出量106.55 m3/min，相对瓦斯涌出量31.53 m3/t，8煤瓦斯涌出量占整个矿井的瓦斯涌出量的93.5%。矿井主采8层煤为井田赋存比较稳定的主采煤层，但煤的结构属于极其松软、破碎类型，坚固性系数
在0.2~0.3之间，透气性差（透气性系数为2.82×10-2
m2/MPa2.d）。自建矿以来已经发生大
小有记录的煤与瓦斯突出或动力现象20余次。8煤顶分层在掘进与生产过程中瓦斯治理难道大，顶分层回采过程中瓦斯动力、瓦斯超限等现象严重。为了更好地解决顶分层工作面瓦斯超限问题，除抽放外，还采取了综合防治措施，效果很好。
2.瓦斯综合治理的整体思路
通过多年的实践，我矿瓦斯治理的思路是：以区域性治理措施为主、局部治理措施为辅，多措并举，以用促抽，做到“抽、掘、采”平衡的思想。芦岭矿第一套矿井永久瓦斯抽放系统于1973年建成投入使用，安装了SZ-4型水环式真空泵2台（其中一台备用），额定抽放能力27m3/min，地面抽放管路管径φ250mm，抽放矿井东部1采区和中部2采区瓦斯，主要是采用底板穿层钻孔预抽8、9煤层瓦斯的方式，作为区域性防突措施，降低回采时的瓦斯涌出量。随着开采深度的增加，产量的增加，抽放能力不能满足生产的需要，先后两次对抽放系统进行扩容改造，目前已在南风井建立两套瓦斯抽放系统，安装了两趟φ529mm瓦斯抽放管路、四台水环式真空泵，其中，2BE3-420-2BY3型水环式真空泵2台，配132kW防
爆电机2台，（一台运转，一台备用，额定能力提高到120m3/min），CBF410-2BG3型水环真空泵2台，配160kW防爆电机2台（一台运转，一台备用，额定能力为120m3/min）。3.瓦斯综合治理技术及效果
针对二水平8、9煤层煤与瓦斯突出的特点（瓦斯压力大、含量高、煤层特厚、煤质松软、透气性差，煤与瓦斯突出灾害严重），提出了底板双岩巷穿层钻孔瓦斯抽采模式。充分利用工作面的两条底板集中巷道施工上向网格式穿层钻孔预抽8、9煤层瓦斯，预抽1～1.5 a 后进行8煤层顶分层工作面的准备工作，煤层预抽率可达30%，煤层瓦斯含量由原先20m3/t 降到14m3/t左右，有效降低了煤层的突出危险性。
顶分层工作面采掘作业时采取“四位一体”综合防突措施，并配合工作面随采随抽，保证顶分层工作面的开采安全，8煤层顶分层工作面平均日产量650～750t，供风量为900～1000m3/min，上隅角平均瓦斯浓度可控制到0.4％以下，顶分层工作面绝对瓦斯涌出量为19～22m3/min，相对瓦斯涌出量为38～48m3/t。
顶分层工作面开采过程中8煤层底分层、9煤层和上邻近层大量瓦斯得以释放，8煤层顶分层工作面开采过后，底分层和9煤层瓦斯含量降为4.8m3/t，彻底消除了煤层的突出危险性，可确保8煤层底分层和9煤层工作面的安全高效开采。
4.瓦斯治理方法
4.1 底板穿层钻孔预抽
在8、9煤层底板布置双岩石巷道施工底板穿层瓦斯抽放钻孔，已经被芦岭煤矿作为一种常规、实用的区域防突措施和瓦斯治理措施而长期采用，而且施工技术、手段日臻成熟，应用效果不断改善、提高。施工方法和步骤为：
●沿岩石集中巷和岩石轨道巷分别布置若干钻场，钻场间距一般为30m。
●每个钻场内沿走向和倾向共布置3列5行共15个mm
瓦斯抽放钻孔；钻孔有
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效抽放半径为5m，钻孔的孔底间距为10m；每个钻场沿煤层走向控制范围30m；
双岩巷抽放钻场沿煤层倾向控制范围100m左右。
●钻场内的所有穿层钻孔施工完毕后连入地面永久瓦斯抽放系统，对该区段突出煤
层实施穿层瓦斯抽放。
每个钻场的具体钻孔布置方式如下图4.1.1所示。
图4.1.1 底板岩巷瓦斯抽放钻场钻孔布置方式
4.2 高位钻孔抽放
主要在工作面风巷距从切眼向后每隔50～80m施工一个钻场，钻场施工至煤层顶板，在钻场内施工高位钻孔，以Ⅱ825-1工作面为例：
Ⅱ825-1（1#-切眼）风巷长105米，在风巷布置2个高位钻场，Ⅰ号高位钻场距切眼50米，Ⅱ号高位钻场距Ⅰ号钻场55米。钻场自风巷施工至距8煤顶板5米，即顶板坚硬砂岩中。（见图4.2.1）
切
眼
图4.2 .1高位钻场布置平面示意图
图4.2.2 高位钻场布置剖面示意图（1-1剖面）
共布置5个钻孔，钻孔沿工作面走向超过切眼平面位置10米，沿工作面倾向布置到工作面风巷向下58.1米，钻孔终孔间距10米。终孔距8煤顶板法距20-25米, 压茬距为30米。（见图4.2.2）
图4.2.2 高位钻孔布置平面图
4.3顺层钻孔抽放
在工作面回采前，沿工作面机巷每隔10米施工一组顺层孔，孔深50米以上，每组3个钻孔，成扇形布置，终孔间距10米；沿工作面风巷每隔15米施工一组顺层孔，孔深30米以上，每组3个钻孔，成扇形布置，终孔间距10米；顺层孔抽放主要用于工作面煤体瓦斯预抽及卸压瓦斯抽放，主要解决回采时煤壁瓦斯超限。要加强顺层孔的封孔，封孔深度5米以上。
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B B断面图
图4.3.1机巷顺层钻孔布置平面图
●顺层钻孔抽放能有效降低回采时的瓦斯涌出量，但芦岭矿由于8煤层瓦斯压力高、松软，钻孔施工难度大，钻孔成孔率低，且不能覆盖整改开采区域，因此，该措施只是做为一项辅助性措施。
●顺层孔抽放效果的好坏与钻孔封孔工艺有着直接的影响，自2003年以后，芦岭矿采用马丽散N材料进行封孔，取得了较为理想的效果。
4.4上隅角埋管抽放
采空区瓦斯浓度分布和采空区瓦斯运移具有以下规律：
(1)采空区瓦斯在工作面自切眼推进1～12 m范围内浓度变化较小，一般在3％～8％之间；在12～20 m 范围内瓦斯浓度变化幅度较大，一般在10％～ 18％；在20-40 m范围内瓦斯浓度升高较快，一般在20％～35％；在40～60 m 范围内瓦斯浓度变化较小，一般在35％-50％之间；
(2)采空区瓦斯流动大体可划分为三个带；
(3)涌出带、过渡带和滞留带的范围，受煤层开采条件，特别是开采高度、顶板岩性和采空区瓦斯涌出源供给情况等因素的影响，同时，由于受工作面风流和采空区漏风的影响。
根据上述规律，提前在工作面上隅角处安设一个“H”形管，在工作面向前推进时，“H”形管将埋进采空区，将“H”形管距工作面5米以上时开始抽放，20米埋一组，交替抽放。老塘埋管主要抽放采空区瓦斯，主要解决采空区瓦斯向工作面涌出和老塘角瓦斯积聚的问题。回采过程中要加强上、下隅角的管理，减少向采空区漏风，上隅角要提前抹拐收半峒。且回采时，要定期观测采空区内的一氧化碳情况，定期取样化验，防止煤炭自燃。(“H”形管见图4.4.1：“H”形管示意图)
图4.4.1“H ”形管示意图
4.5 地面钻孔抽放
沿工作面走向共设计四个地面瓦斯抽放钻孔，地面抽放钻孔主要抽采8煤采动卸压瓦斯。 ● 钻孔施工至8煤层底板，并全部下套管，钻孔过煤段使用花管。
● 钻孔孔口必须安设安全装置：避雷针、防回火装置、隔爆装置、接地装置等。
● 钻孔孔口必须安设专门的抽放计量装置，以便对抽放效果进行观测和考察，此项工作正在进行当中。
5. 回采期间过构造带瓦斯治理措施
工作面回采期间，在走向上会遇到一些小的断层、煤包等构造，往往会造成撇顶煤现象，回采工作面采用U 型通风方式时，进入采空区的漏风，将携带采空区高浓度瓦斯从上隅角涌出，尤其是当回柱后顶煤垮落，因工作面漏风负压的存在，采空区的高浓度瓦斯会向上隅角运移，致使上隅角瓦斯浓度偏高及回风瓦斯浓度增大，达0.65%～0.8%（见图），不仅影响工作面得推进速度制约了矿井的生产接替与矿井产量，打破矿井正常的生产平衡，而且瓦斯隐患逐渐加大严重威胁着井下职工的生命安全。
工作面进风巷道
型通风工作面采空区瓦斯流向示意图
进风巷；2.回风巷；
在这种情况下，为确保工作面安全回采，在老塘埋管抽放得基础上，使用三通再接一趟管路下延至工作面内部30～40米处，埋入采空区之后，合茬进行抽放。通过拦截采空区向上隅角运移得高浓度瓦斯，以减少向上隅角运移得瓦斯量，使上隅角得瓦斯浓度降低至0.3～0.4%之间。
6. 结束语
1.顶分层工作面采掘作业时采取“四位一体”综合防突措施，并配合工作面瓦斯综合治理技术措施，使得上隅角平均瓦斯浓度可控制到0.4％以下。
2.瓦斯综合治理技术得应用，降低了风排瓦斯量，杜绝了瓦斯超限，确保矿井安全生产。
3.瓦斯治理方法多种多样，应视煤层瓦斯赋存情况分别或综合应用。