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沿空留巷综放工作面瓦斯综合治理技术应用

2023-11-08 89 上传者：管理员

摘要：为有效解决3205综放工作面回采期间沿空留巷瓦斯异常增大风险，结合现场实际情况，采取沿空留巷段Y型通风方式，增大供风量，降低回风巷内的风排瓦斯浓度；在留巷内架设U型棚腿+金属网+风筒布，减少采空区漏风；施工本煤层顺层钻孔，在留巷内向采空区预埋插管抽采瓦斯；施工煤层顶、底板穿层钻孔对邻近层涌出瓦斯进行预抽采等综合瓦斯治理技术措施。结果表明，瓦斯综合治理技术取得了显著效果。

关键词：
回收率
沿空留巷
瓦斯抽采
瓦斯综合治理
综放工作面
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为了提高资源回收率，缓解采掘接替紧张局面，多数现代化矿井采取沿空留巷的方式为备采工作面做准备。这样虽然解决了突出矿井掘进时间的影响，但回采过程中留巷段巷道因风量不足，造成瓦斯浓度升高，且由于采空区瓦斯漏风涌入采面回风流，而造成工作面及其回风流中瓦斯波动和积聚的风险依然存在[1]。如何有效采取措施，提高巷道内风量与瓦斯抽采浓度，值得进一步研究。本文以伯方煤矿3205综采工作面为例，在沿空留巷工作面采用“Y型”通风的方式，增加进风量，优化采空区防漏风设计[2]，同时提出对采空区瓦斯进行插管抽采、顺层钻孔抽采、穿层钻孔抽采等综合瓦斯治理措施，以多样方法提升钻孔瓦斯抽采浓度，确保采面安全回采，取得了显著效果。

1、工作面概况

3205综放工作面位于伯方煤矿二盘区运输大巷西翼，北邻3207工作面，南邻3203工作面，东翼为二盘区轨道、回风大巷联络巷。3205工作面沿走向布置，走向长1 384 m，切眼沿倾向布置，长度为157 m。工作面主采3#煤层，煤层倾角为2°～6°，为近水平煤层，煤厚平均5.31 m。3#煤层直接顶为厚度5.51 m的灰黑色粉砂岩，老顶为厚度4.51 m的中粒砂岩，直接底为厚度1.76 m的灰黑色细粒砂岩，老底为厚度4.53 m的薄层状砂质泥岩。伯方煤矿主采3#煤层为Ⅲ类不易自燃煤层，煤尘不具有爆炸危险性。经过煤层瓦斯取样鉴定与实际测算，采面最大绝对瓦斯涌出量7.78 m3/min，上下巷掘进期间最大瓦斯涌出量为0.46 m3/min。测得百米钻孔瓦斯流量0.0441L/min·hm，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.017 3～0.019 2 d-1，煤层透气性系数为0.26～0.31 m2/MPa2·d。

2、沿空留巷瓦斯综合治理方案

2.1 防采空区漏风设计

为减少回采期间的采空区一侧漏风，避免采空区瓦斯大量涌入工作面隅角和回风流，造成巷道内瓦斯超限或积聚，在沿空留巷段采空区一侧使用可伸缩性U型钢腿沿切顶线进行打设，钢腿之间使用连板与螺丝进行整体连接固定，在U型钢腿背面铺设两层平焊金属网，利用铁丝捆扎固定于棚腿上，在两层平焊网之间平铺截取好的整块风筒布，从巷顶到巷底实现全覆盖封闭，封闭效果如图1所示。

图1 沿空留巷段采空区封闭效果

为了避免采空区顶板裂隙形成导风通道，在采取架棚+风筒布封闭的措施后，使用阻化剂以及阻燃喷涂材料，对U型棚腿顶底板搭接处及风筒布进行全断面喷洒，有效充填裂隙区域，提升了防漏效果。

2.2 采空区瓦斯抽采治理

(1）顺层钻孔瓦斯预抽技术。在3205工作面运输巷、回风巷向工作面煤壁方向，以垂直煤壁各偏移6°～8°左右施工顺层长钻孔，根据煤层倾角2°～6°的自然条件，设计钻孔倾角为3°～4°，在施工过程中以实际见煤岩情况随时可调整钻孔倾角。此外，为保证钻孔覆盖工作面全部范围，设计上下向钻孔深度均为90 m（切眼长度157 m），预留一定终孔深度的压茬区域，杜绝瓦斯预抽空白带。钻孔选取钻头直径为94 mm，钻杆直径为89 mm，沿煤层中部开孔，钻孔间距为1.5 m。

钻孔施工结束后，根据“两堵一注”的工作要求，采用技术较为成熟的带压封孔工艺，利用封孔囊袋、聚氨酯等材料进行膨胀封堵，然后将搅拌好的水泥浆注入筛管壁，实现封孔管的彻底固定，以此提高瓦斯抽采率和流量纯度。封孔管深度为24 m，要求注浆压力不小于1.5 MPa，以返浆效果为准。

封孔结束后，单一顺层钻孔与抽采支管以三通或直角两通相连接，每根支管最多可连6～8个顺层孔，避免连接过多钻孔而降低单孔的抽采负压。每间隔一段支管路，要在支管与巷道内主管路的连接处安装放水器和排渣器，便于将管路内抽集出的积水和煤粉及时排除，避免堵塞管路后对负压稳定性造成影响[3]。在主管路上设置多组监测装置传感器，对瓦斯抽采流量、浓度、温度、抽采负压、CO气体浓度等重要参数进行实时监测，如图2所示。

图2 顺层钻孔封孔连接

(2）通风方式优化。沿空留巷工作面一般采用“Y”型通风的方式，由工作面运输巷作为主要的进风巷道，待回采段回风巷作为辅助进风巷，而沿空留巷段与总回风巷相连通，作为主要回风巷道，形成独立的通风系统。根据工作面回采期间的实际瓦斯涌出情况，还可以通过调整供风量的方式，控制回风巷内的风排瓦斯量，以此确保不会出现瓦斯涌出波动和超限现象。

(3）沿空留巷预埋管瓦斯抽采。随着工作面推进，将3205工作面回风巷掘进期间铺设的抽放管路进行复用，考虑到初采初放老顶来压步距[4]，在采面开始回采10～15 m后启用铺设的抽放管，避免过早使用采空区内插管被垮落矸石砸坏，影响抽采效果。对原φ219 mm管路改造后，在起始段每间隔6 m安装一组同等直径的φ219 mm抽采支管插入采空区内，插管长度为0.3 m，吊挂高度距离巷道顶板不大于0.15 m；连续安装三组插管后，调整插管间距为24 m一组。随着工作面回采，具体安装位置可根据回采期间的实际煤厚变化、管路瓦斯抽采浓度变化、采空区实际垮落后的裂隙发育变化等适当调整插管间距[5]，以确保达到最优化抽采效果。

插管时需要将挡矸侧金属网用钢绞钳剪开，埋管后管口末端安装法兰盘，便于与主管路连接。为了确保良好的封闭性，在埋管后需要对留巷侧进行喷浆，防止采空区瓦斯外溢。插管效果如图3所示。

图3 沿空留巷预埋插管效果

(4）穿层钻孔卸压抽采技术。在3205工作面回风巷一侧沿回采煤壁方向向煤层顶板施工高位穿层钻孔，利用瓦斯密度小、易在上方积聚的特点，高位钻孔可以有效抽采采空区顶板积存的瓦斯，以及上覆煤层受到下层煤层回采扰动影响涌出的瓦斯，从而实现穿层瓦斯治理的效果，防止采空区瓦斯积聚造成瓦斯超限事故的发生[6]。具体施工参数如表1所示。

表1 高位钻孔施工参数

施工高位钻孔时，每间隔20 m打设一组，每组布置6个钻孔，共设计10组，钻孔间距为1.5～2 m，施工总孔数为60个。根据实际打设情况和瓦斯抽采浓度情况，可以适当增加钻孔数量。高位钻孔设计如图4所示。

图4 高位钻孔施工布置

图5 底板穿层预抽钻孔布置

由于伯方煤矿属于多煤层开采，在3205工作面回采期间，考虑到下邻近层瓦斯涌出的异常影响，为了拦截瓦斯涌入到采空区，在施工高位钻孔的基础上，向3#煤层底板按照表1相关参数施工底板抽采钻孔，实现截留抽采的目的，钻孔布置如图5所示。

3、瓦斯抽采评价与治理效果

为评价3205工作面回采期间在采取综合瓦斯治理措施后的效果，在回风流滞后采面10 m处抽放管路上安装一组瓦斯在线监测装置，用以监测、统计瓦斯浓度、流量、温度等数据，具体监测数据如表2所示。

表2 钻孔实测瓦斯指标数据

经过实测回采工作面回采期间回风流瓦斯浓度最高为0.31%，相较于工作面U型通风方式瓦斯浓度降低约54.7%，如表2中实测数据，多种抽采方式测得的瓦斯浓度均超过10%，达到预期瓦斯抽采目的。

4、结论

1）将3205回采工作面原U型通风方式调整为沿空留巷段为“Y型”通风的方式，增加了工作面供风量，降低了在回采期间回风流的风排瓦斯浓度，结合在采空区一侧打设U型棚腿+金属网+风筒布的综合措施，降低了留巷段采空区的漏风量，避免了采空区瓦斯的大量涌出。

2）利用增加钻孔施工数量，以本煤层顺层钻孔施工及采空区预埋管抽放的方法，提高了回采煤层的瓦斯抽采率；以穿层钻孔施工的方法，提高了相邻煤层的瓦斯抽采浓度，降低了瓦斯经过采空区垮落裂隙向回采工作面大量涌入的风险，确保回采工作面不发生瓦斯积聚和超限事故。