沿空留巷綜放工作面瓦斯綜合治理技術應用

郭四龍

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

為了提高資源回收率，緩解采掘接替緊張局面，多數現代化礦井采取沿空留巷的方式為備采工作面做準備。這樣雖然解決了突出礦井掘進時間的影響，但回采過程中留巷段巷道因風量不足，造成瓦斯濃度升高，且由于采空區瓦斯漏風涌入采面回風流，而造成工作面及其回風流中瓦斯波動和積聚的風險依然存在[1]。如何有效采取措施，提高巷道內風量與瓦斯抽采濃度，值得進一步研究。本文以伯方煤礦3205 綜采工作面為例，在沿空留巷工作面采用“Y 型”通風的方式，增加進風量，優化采空區防漏風設計[2]，同時提出對采空區瓦斯進行插管抽采、順層鉆孔抽采、穿層鉆孔抽采等綜合瓦斯治理措施，以多樣方法提升鉆孔瓦斯抽采濃度，確保采面安全回采，取得了顯著效果。

1 工作面概況

3205 綜放工作面位于伯方煤礦二盤區運輸大巷西翼，北鄰3207 工作面，南鄰3203 工作面，東翼為二盤區軌道、回風大巷聯絡巷。3205 工作面沿走向布置，走向長1 384 m，切眼沿傾向布置，長度為157 m。工作面主采3#煤層，煤層傾角為2°～6°，為近水平煤層，煤厚平均5.31 m。3#煤層直接頂為厚度5.51 m 的灰黑色粉砂巖，老頂為厚度4.51 m 的中粒砂巖，直接底為厚度1.76 m 的灰黑色細粒砂巖，老底為厚度4.53 m 的薄層狀砂質泥巖。伯方煤礦主采3#煤層為Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵不具有爆炸危險性。經過煤層瓦斯取樣鑒定與實際測算，采面最大絕對瓦斯涌出量7.78 m3/min，上下巷掘進期間最大瓦斯涌出量為0.46 m3/min。測得百米鉆孔瓦斯流量0.0441L/min·hm，鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.017 3～0.019 2 d-1，煤層透氣性系數為0.26～0.31 m2/MPa2·d。

2 沿空留巷瓦斯綜合治理方案

2.1 防采空區漏風設計

為減少回采期間的采空區一側漏風，避免采空區瓦斯大量涌入工作面隅角和回風流，造成巷道內瓦斯超限或積聚，在沿空留巷段采空區一側使用可伸縮性U 型鋼腿沿切頂線進行打設，鋼腿之間使用連板與螺絲進行整體連接固定，在U 型鋼腿背面鋪設兩層平焊金屬網，利用鐵絲捆扎固定于棚腿上，在兩層平焊網之間平鋪截取好的整塊風筒布，從巷頂到巷底實現全覆蓋封閉，封閉效果如圖1 所示。

圖1 沿空留巷段采空區封閉效果

為了避免采空區頂板裂隙形成導風通道，在采取架棚+ 風筒布封閉的措施后，使用阻化劑以及阻燃噴涂材料，對U 型棚腿頂底板搭接處及風筒布進行全斷面噴灑，有效充填裂隙區域，提升了防漏效果。

2.2 采空區瓦斯抽采治理

（1）順層鉆孔瓦斯預抽技術。在3205 工作面運輸巷、回風巷向工作面煤壁方向，以垂直煤壁各偏移6°～8°左右施工順層長鉆孔，根據煤層傾角2°～6°的自然條件，設計鉆孔傾角為3°～4°，在施工過程中以實際見煤巖情況隨時可調整鉆孔傾角。此外，為保證鉆孔覆蓋工作面全部范圍，設計上下向鉆孔深度均為90 m（切眼長度157 m），預留一定終孔深度的壓茬區域，杜絕瓦斯預抽空白帶。鉆孔選取鉆頭直徑為94 mm，鉆桿直徑為89 mm，沿煤層中部開孔，鉆孔間距為1.5 m。

鉆孔施工結束后，根據“兩堵一注”的工作要求，采用技術較為成熟的帶壓封孔工藝，利用封孔囊袋、聚氨酯等材料進行膨脹封堵，然后將攪拌好的水泥漿注入篩管壁，實現封孔管的徹底固定，以此提高瓦斯抽采率和流量純度。封孔管深度為24 m，要求注漿壓力不小于1.5 MPa，以返漿效果為準。

封孔結束后，單一順層鉆孔與抽采支管以三通或直角兩通相連接，每根支管最多可連6～8 個順層孔，避免連接過多鉆孔而降低單孔的抽采負壓。每間隔一段支管路，要在支管與巷道內主管路的連接處安裝放水器和排渣器，便于將管路內抽集出的積水和煤粉及時排除，避免堵塞管路后對負壓穩定性造成影響[3]。在主管路上設置多組監測裝置傳感器，對瓦斯抽采流量、濃度、溫度、抽采負壓、CO 氣體濃度等重要參數進行實時監測，如圖2所示。

圖2 順層鉆孔封孔連接

（2）通風方式優化。沿空留巷工作面一般采用“Y”型通風的方式，由工作面運輸巷作為主要的進風巷道，待回采段回風巷作為輔助進風巷，而沿空留巷段與總回風巷相連通，作為主要回風巷道，形成獨立的通風系統。根據工作面回采期間的實際瓦斯涌出情況，還可以通過調整供風量的方式，控制回風巷內的風排瓦斯量，以此確保不會出現瓦斯涌出波動和超限現象。

（3）沿空留巷預埋管瓦斯抽采。隨著工作面推進，將3205 工作面回風巷掘進期間鋪設的抽放管路進行復用，考慮到初采初放老頂來壓步距[4]，在采面開始回采10～15 m 后啟用鋪設的抽放管，避免過早使用采空區內插管被垮落矸石砸壞，影響抽采效果。對原φ219 mm 管路改造后，在起始段每間隔6 m 安裝一組同等直徑的φ219 mm 抽采支管插入采空區內，插管長度為0.3 m，吊掛高度距離巷道頂板不大于0.15 m；連續安裝三組插管后，調整插管間距為24 m 一組。隨著工作面回采，具體安裝位置可根據回采期間的實際煤厚變化、管路瓦斯抽采濃度變化、采空區實際垮落后的裂隙發育變化等適當調整插管間距[5]，以確保達到最優化抽采效果。

插管時需要將擋矸側金屬網用鋼絞鉗剪開，埋管后管口末端安裝法蘭盤，便于與主管路連接。為了確保良好的封閉性，在埋管后需要對留巷側進行噴漿，防止采空區瓦斯外溢。插管效果如圖3所示。

圖3 沿空留巷預埋插管效果

（4）穿層鉆孔卸壓抽采技術。在3205 工作面回風巷一側沿回采煤壁方向向煤層頂板施工高位穿層鉆孔，利用瓦斯密度小、易在上方積聚的特點，高位鉆孔可以有效抽采采空區頂板積存的瓦斯，以及上覆煤層受到下層煤層回采擾動影響涌出的瓦斯，從而實現穿層瓦斯治理的效果，防止采空區瓦斯積聚造成瓦斯超限事故的發生[6]。具體施工參數如表1 所示。

表1 高位鉆孔施工參數

施工高位鉆孔時，每間隔20 m 打設一組，每組布置6 個鉆孔，共設計10 組，鉆孔間距為1.5～2 m，施工總孔數為60 個。根據實際打設情況和瓦斯抽采濃度情況，可以適當增加鉆孔數量。高位鉆孔設計如圖4 所示。

圖4 高位鉆孔施工布置

由于伯方煤礦屬于多煤層開采，在3205 工作面回采期間，考慮到下鄰近層瓦斯涌出的異常影響，為了攔截瓦斯涌入到采空區，在施工高位鉆孔的基礎上，向3#煤層底板按照表1 相關參數施工底板抽采鉆孔，實現截留抽采的目的，鉆孔布置如圖5 所示。

圖5 底板穿層預抽鉆孔布置

3 瓦斯抽采評價與治理效果

為評價3205 工作面回采期間在采取綜合瓦斯治理措施后的效果，在回風流滯后采面10 m 處抽放管路上安裝一組瓦斯在線監測裝置，用以監測、統計瓦斯濃度、流量、溫度等數據，具體監測數據如表2 所示。

表2 鉆孔實測瓦斯指標數據

經過實測回采工作面回采期間回風流瓦斯濃度最高為0.31%，相較于工作面U 型通風方式瓦斯濃度降低約54.7%，如表2 中實測數據，多種抽采方式測得的瓦斯濃度均超過10%，達到預期瓦斯抽采目的。

4 結論

1）將3205 回采工作面原U 型通風方式調整為沿空留巷段為“Y 型”通風的方式，增加了工作面供風量，降低了在回采期間回風流的風排瓦斯濃度，結合在采空區一側打設U 型棚腿+ 金屬網+風筒布的綜合措施，降低了留巷段采空區的漏風量，避免了采空區瓦斯的大量涌出。

2）利用增加鉆孔施工數量，以本煤層順層鉆孔施工及采空區預埋管抽放的方法，提高了回采煤層的瓦斯抽采率；以穿層鉆孔施工的方法，提高了相鄰煤層的瓦斯抽采濃度，降低了瓦斯經過采空區垮落裂隙向回采工作面大量涌入的風險，確?；夭晒ぷ髅娌话l生瓦斯積聚和超限事故。

3）經過瓦斯綜合治理措施的實踐驗證，3205綜放工作面回采期間管路抽采濃度可保持在10%以上，減緩了瓦斯抽采的衰減速度，瓦斯治理取得了顯著效果。