曹艺钟1 李红金2 白永忠3 冯海啸4
1.煤科集团沈阳研究院有限公司 辽宁沈阳 110016 2.山西石泉煤业有限责任公司 山西长治 046200
3.4.陕西华彬煤业股份有限公司 陕西咸阳 713500
摘要：为有效解决特厚煤层综放工作面初采初放阶段瓦斯超限治理问题，以彬长矿区蒋家河矿ZF205工作面为工程实例，通过分析综放工作面初采初放阶段的瓦斯涌出特点和工艺特点，采用增加高位钻孔孔数和排数、优化高位钻孔终孔层位，上隅角浅部埋管抽采，增强卸压区瓦斯抽放，增加风量等综合技术方法有效解决了工作面初采初放期间的瓦斯防治问题。
关键词：综放工作面、瓦斯治理、高位钻孔、埋管抽采
引言：回采工作面从开始推进到老顶第一次垮落，称之为初采期。初采期间老顶不垮落，工作面后部的采空空间存在较大范围的悬空区域，在直接顶大面积垮落或老顶初次垮落时悬空区域积聚瓦斯受挤压极易集中性涌向回采空间造成瓦斯事故[1]。综采放顶煤开采采高大，生产集中，初采期间顶板垮落不充分，工作面后部悬顶空间大，易于储集主要来源于顶煤卸荷解吸瓦斯、遗煤解吸瓦斯和围岩解吸瓦斯，在受到生产扰动或顶板大面积垮落时造成工作面瓦斯超限严重影响安全回采[2]。因此，研究和实验综放工作面初采初放阶段瓦斯治理技术就显得尤为迫切和重要。
1 工程概况
蒋家河煤矿位于陕西彬长矿区南部，开采侏罗纪4#煤层，井田内4#煤最大瓦斯含量8.98m3/t，矿井瓦斯相对涌出量21.93m3/t，绝对涌出量49.56m3/nim。ZF205工作面位于二采区三条大巷北部，西侧为二采区未采实体煤，东侧为ZF203工作面，南为三条大巷保护煤柱，北为矿井边界。工作面埋深610.6～644.4m，ZF205工作面布置两条巷道，分别为回风顺槽、运输顺槽，两顺槽方位角均为345°，两条巷道均布置在4＃煤层中。工作面走向长1521m，倾斜长151m，与ZF203工作面之间的区段保护煤柱30m，留设大巷保护煤柱104m。开采区域煤层平均厚度约为8.8m，最大厚度为10.4m，最小厚度为6.0m，留设1m底煤。
ZF205工作面巷道布置为“一进一回”U型布置，如下图1所示。
图1 ZF205工作面巷道布置示意图
2 初采初放阶段瓦斯涌出特点和工艺特点分析
2.1初采初放阶段瓦斯涌出特点
蒋家河煤矿综采放顶煤开采工作面瓦斯涌出来源主要由煤壁瓦斯瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出构成[3]。根据采前预抽达标评判预测工作面回采期间最大瓦斯涌出量为28.8m3/min。
（1）煤壁瓦斯涌出
工作面采前顺槽巷道已预排（抽）13个月，工作面配风量1030m3/min，回风巷口瓦斯浓度0.22%，煤壁瓦斯涌出量2.27m3/min，占工作面瓦斯涌出量的7.9%，煤壁瓦斯涌出量较小。
（2）落煤瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出
落煤涌出是指机采落煤时采落煤炭解吸涌出的瓦斯，这部分瓦斯与风流混合，一部分被风流带走，一部分运移至架后空间。加之采空区内瓦斯也会从架间溢出回采空间内，准确区分和测定落煤瓦斯涌出量十分困难，因此，将落煤瓦斯涌出量和采空区瓦斯涌出量合并考虑。预计落煤和采空区瓦斯涌出量将达到26.53m3/min，占工作面总涌出量的92.1%。
根据长期的生产监测发现，蒋家河煤矿综放工作面瓦斯涌出来源构成中超过70%来自采空区，在抽放作用下这一比例能达到80%。在综放工作面除布置预抽钻孔抽采措施，将卸压瓦斯的抽采（采空区，采动应力卸压区）作为工作面瓦斯治理的重中之重。
表1 蒋家河煤矿综放工作面瓦斯涌出构成
2.2初采初放阶段工艺特点
工作面所有设备安装到位后，设备安装调试期为两天，空载运转合格后，工作面推进3m，以调整支架工作状态，以及“三机”配套关系，使“三机”配套处于最佳结合状态。
工作面初次放顶为推进3.0m时对顶板进行人工强制放顶，初次回收顶煤距离规定为20m。
3 初采初放阶段瓦斯综合治理技术
3.1 开切眼前部初采段强化抽放
在工作面切眼前部200m范围内布置顺层平行钻孔，将预抽钻孔间距由4m缩小至2m，增加钻孔量强化预抽和采动期间卸压抽放效果。
3.2 优化首高位钻场钻孔加大采空区抽放能力
初采初放期间顶板垮落极不充分，常规的三排高位孔（终孔位置距煤层顶板上部28.1m）、中（终孔位置距煤层顶板上部25.1m）、低（终孔位置距煤层顶板上部11.1m）位孔层位难以及时发挥作用，因此，将三排孔优化为四排孔，根据采空区顶板从回顺端头至工作面中部的垮落特点[4]，将每一排孔自上隅角至工作面中部35m终孔层位由低向高排列，呈阶梯状分布，低位孔终孔位置距煤层顶板2.1m～6.1m，中位孔终孔位置距煤层顶板8.1m～18.1m，较高位孔终孔位置距煤层顶板10.1m～21.1m，高位孔终孔位置距煤层顶板11.1m～24.1m。其中低位孔主要抽采顶煤卸荷后向顶板上部运移的解吸瓦斯，中位孔和较高位孔抽采直接顶垮落空区积聚瓦斯，高位孔抽采运移至上部空间瓦斯。
图2 高位钻场钻孔剖面示意图
ZF205工作面首高位钻场距离开切眼190m，为了避免高位钻孔与放顶爆破钻孔贯通产生安全隐患，同时考虑工作面初次来压步距和周期来压步距等因素，将优化后的低位钻孔水平投影长度确定为185m，中位钻孔达到设计层位的水平投影长度为165m，较高位钻孔达到设计层位的水平投影长度为150m，高位钻孔达到设计层位的水平投影长度为130m。
3.3 上隅角浅部埋管抽放
埋管抽采上隅角瓦斯的具体方法：在工作面回风巷内预先敷设两趟φ400mm瓦斯抽采管路，当一趟管路进入采空区（回风巷密闭墙内）时，开始进行瓦斯抽采，随着工作面推进，两趟管路抽采管口保持5m错距，当第一趟管路进入采空区（回风巷密闭墙内）5m时，第二趟管路刚刚进入采空区，当第一趟管路进入采空区内10m左右时，第二趟管路进入采空区内5m，此时，在回风巷密闭墙外裁断第一趟抽放管，当工作面再向前推进5m左右时，在密闭墙外裁断第二趟抽放管路，两趟抽放管路以5m步距后退式迈步抽放，使得上隅角附近5-10m范围内始终保持一个稳定的瓦斯抽放动力源，可以及时将采空区内运移至上隅角附近的瓦斯抽入抽放管路，从而达到上隅角抽采瓦斯的目的。
3.4 适当增加风量
ZF205工作面回采初期，采空区未完全形成时，高位钻孔抽放效果较差，为保证工作面瓦斯不超限，应加大风量，保证风排瓦斯不超限，风量原则上不低于1300m3/min。适当增加风量可以加快稀释落煤瓦斯，风量增大，上、下隅角风压差增大，有利于架后瓦斯向埋管抽放口运移。
4效果分析
ZF205工作面于2017年11月1日开始联合试运转，工作面试运转推进3m后开始施工初次强制放顶钻孔，11月6日正式回采，工作面平均配风量1385m3/min，11月9日工作面开始初次放顶，至11月24日工作面推进82m初次来压，初采初放阶段结束，抽放数据见表2.
表2 ZF205工作面初采初放阶段瓦斯抽采数据
从表2可以看出，在工作面联合试运转期间工作面高位钻孔和埋管抽放均不能发挥作用上隅角瓦斯浓度一度达到0.64%，在初次强制放顶后顶板受到破坏开始有裂隙发育，高位钻孔抽放开始起作用但作用不明显，由于采空区尚未形成负压此时埋管抽放浓度也较低。随着初次放顶后直接顶板开始大面积垮落，预先设计的低位、中位孔开始起作用，抽放浓度由2.7%上升至21.4%，埋管浓度也上升，上隅角瓦斯浓度稳定在0.52%，至工作面推进至82m时顶板初次来压，此时较高位孔和高位孔已经发挥作用，平均抽放浓度达到56%，受顶板垮落挤压采空区瓦斯大幅外溢埋管抽放浓度也增加明显，但由于采用了采空区瓦斯抽采的高位（高位钻孔）和低位（埋管）的组合技术方法，因此上隅角浓度虽有大幅度上升，但依然控制在安全水平内，初次来压之后，顶板垮落更为充分，埋管和高位钻孔抽放浓度维持在较高水平，上隅角瓦斯浓度仅为0.18%。
5结论
（1）通过综合应用优化高位钻场钻孔个数和层位、上隅角浅部埋管抽采、增强卸压区瓦斯抽放和增加风量等技术方法成功解决了综放工作面初采初放阶段瓦斯超限治理难题，达到了初次来压期间将上隅角瓦斯浓度控制在0.44%的治理水平
（2）确定了落煤瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出是综放工作面初采初放阶段瓦斯治理的重点，预测工作面落煤瓦斯和采空区瓦斯涌出占工作面总涌出量的92.1%，通过增加高位钻孔排数和优化钻孔终孔位置的提高了钻孔的有效抽放时间和抽放效率。
（3）获得了综放工作面初次强制放顶和初次放顶煤是工作面瓦斯涌出快速变化的两个时间节点，且后一段的变化速率大于前一阶段。
（4）通过增加风量和采用浅部埋管抽放保证了上隅角后部始终保持一个稳定的负压源抽放瓦斯，保障了上隅角瓦斯安全。
参考文献：
[1]吴仁伦，许家林，秦伟.顶板预裂治理综放面初采期瓦斯的数值模拟研究［J］.采矿与安全工程学报，2011，28(2):319－322．
[2]王家臣.我国综放开采技术及其深层次发展问题的探讨［J］.煤炭科学技术，2005,01:14-17
[3]曹艺钟.亭南煤矿205工作面瓦斯抽采方案设计研究[D]辽宁工程技术大学，2015.
[4]李付涛，杨胜强，程涛．综放工作面初采期顶板沉降对瓦斯涌出特征的影响［J］．矿业安全与环保，2011，38(3):48－51．
论文作者:曹艺钟1, 李红金2, 白永忠3, 冯海啸4
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/24
标签：瓦斯论文; 工作面论文; 采空区论文; 钻孔论文; 顶板论文; 高位论文; 煤层论文; 《防护工程》2018年第12期论文;