8307工作面瓦斯综合治理措施研究

寇永威

（大同煤矿集团雁崖煤业公司，山西 大同 037003）

1 概述

大同煤矿集团雁崖煤业公司位于大同市南郊区西侧15km，矿井设计生产能力为2.0Mt/a，为高瓦斯矿井。矿井主回采煤层为石炭系山4#煤层（山西组煤层）和2#煤层（太原组煤层），煤层平均厚度为3.5m。

8307工作面位于三盘区西翼，回采煤层为山4#煤层，工作面走向长度为1400m，倾向长度为210m。工作面无伪顶，直接顶主要以炭质泥岩为主，平均厚度为4.7m，基本顶主要以细砂岩为主，回采期间受上覆岩层重力及回采压力影响，直接顶深部裂隙发育且向基本顶延伸。8307工作面采用后退式走向长壁综合机械化回采工艺，采用“U”型通风方式，截至目前工作面已回采470m。

根据煤科院对山4#煤层瓦斯鉴定报告显示，山4#煤层最大瓦斯含量为18.7m3/t，瓦斯压力为0.7～1.35MPa，煤层瓦斯含量较高，对回采影响大。工作面回采前期通过对回采煤层布置抽放钻孔进行瓦斯预抽，但在实际应用中瓦斯治理效果相对较差，回采期间工作面瓦斯涌出量为5.8m3/min，平均瓦斯浓度为1.2%，上隅角平均瓦斯浓度为1.4%，经常出现工作面瓦斯超限断电现象，不仅降低了工作面回采效率，而且严重威胁着工作面安全高效回采。

2 8307工作面瓦斯超限原因分析

（1）钻孔成孔率低。8307工作面回采前期在工作面回风顺槽侧布置顺层瓦斯抽放钻孔进行瓦斯预抽，钻孔深度为100m，钻孔间距为10m，由于山4#煤层属石炭系煤层，煤层发育不稳定，在施工瓦斯抽放钻孔时经常出现钻孔塌孔现象，钻孔成孔率为47%，平均钻孔有效长度仅为84m，不利于煤层瓦斯预抽

（2）钻孔瓦斯抽放率低。山4#煤层透气系数为0.412～1.15m2/MPa2·d，衰减系数0.3174～0.6681d-1，采用顺层钻孔法进行瓦斯抽放相对困难，瓦斯抽放效率仅为28%，抽放效率低。

（3）顶板裂隙带瓦斯含量高。由于山4#煤层顶板裂隙带发育，工作面回采期间顶板裂隙带富含高浓度瓦斯，占整个工作面瓦斯涌出量的35%，随着工作面不断推进、采空区垮落，顶板裂隙带瓦斯涌入采空区，造成采空区瓦斯向工作面及上隅角涌出，导致瓦斯超限现象。

（4）工作面通风不良。8307工作面采用“U”型通风方式，造成工作面机头端向采空区漏风量大，漏风率达27%，导致采空区瓦斯向工作面及上隅角涌出；同时工作面采用“U”型通风时靠近上隅角处出现“窝风”现象，不利于上隅角瓦斯排放。

3 工作面综合瓦斯治理措施研究

为了提高煤层瓦斯抽放效率，降低裂隙带瓦斯浓度及采空区漏风量，通风区通过研究，决定对工作面采取本煤层水力造穴瓦斯预抽、高位钻孔裂隙带瓦斯预抽以及安装“Z”型风障及柔性风障堵风、上隅角局部风机排瓦斯等联合瓦斯治理措施。

3.1 水力造穴瓦斯预抽

水力造穴瓦斯预抽主要是在煤层内施工若干个扩大孔，从而降低煤层地应力，提高煤层透气系数，达到提高瓦斯抽采效率的目的。

（1）采用GF-100型超高压水力割缝装置进行造穴钻孔施工，该装置配套水力合金钻头、浅螺旋钻杆、高压管路等。

（2）首先将钻孔设备稳装回风顺槽侧距工作面50m处，钻孔开口位置距工作面顶板1.5m处，钻孔间距为30m，开口前40m采用直径为75mm普通钻头进行钻进，钻孔垂直煤壁布置。

（3）当钻孔施工40m及时更换水力合金钻头并接头高压水管进行水力造穴，造穴长度为1.5m，直径为0.6m。

（4）第一个水力造穴完成后及时清理钻孔内浮煤，并继续采用普通钻头钻进15m后进行第二个水力造穴施工，依次类推每个钻孔内共施工5个水力造穴孔，如图1所示。

（5）水力造穴钻孔施工完后，每个钻孔内安装瓦斯抽放管路并与采区临时抽放泵站连接进行瓦斯预抽，当工作面回采至距钻孔5m处时钻孔停止瓦斯抽放。

3.2 高位裂隙带瓦斯预抽

（1）高位钻场布置在回风顺槽侧煤壁内，钻场规格为长×高×深=5.0×2.5×5.0m，钻场距底板间距为1.0m，钻场间距为60m。

（2）钻场内从煤壁外侧向里依次布置4个高位瓦斯抽放钻孔（1#、2#、3#、4#），钻孔呈直线布置，距钻场底板间距为1.5m，钻孔间距为1.0m。

（3）钻孔深度为100m，三个钻孔与工作面顶板呈6°仰角布置，1#钻孔与回风顺槽呈20°夹角布置，2#钻孔与回风顺槽呈40°夹角布置，3#钻孔与回风顺槽呈60°夹角布置，4#钻孔与回风顺槽呈80°夹角布置。

（4）高位钻孔施工完后对每个钻场及钻孔安装主分支抽放管路进行钻场瓦斯预抽，每个钻场瓦斯预抽时间不得低于10d。

3.3 “Z”型风障及柔性风障堵风

（1）“Z”型风障安装。“Z”型风障安装在输送机机头端头支架与运输顺槽内，风障长度为25m， 两边长为3m，高度为2.5m，风障一边固定在运输顺槽非煤壁帮上，另一边固定在端头支架支柱及顶梁上，从而阻止了运输顺槽侧风流沿端头支架间隙处流入采空区内，如图1所示。

（2）柔性风障安装。由于8307工作面地质构造复杂，顶板相对破碎，工作面在移架时采用间隔性移架方式，为了防止间隔移架期间在支架间隙处漏入风量进入采空区，以及采空区内有害气体涌入工作面内，决定在支架间隙处安装柔性风障，风障长度为10m，可伸缩最大高度为3.5m，在间隔移架时及时安装可伸缩风障进行堵风。

3.4 局部通风机排瓦斯

为了防止工作面上隅角处出现风流涡旋，造成瓦斯集聚现象，决定安装联锁感应局部通风设施对上隅角进行排瓦斯。

（1）联锁感应局部通风设施主要包括一台功率为5kW的小型局部通风机、一台80A联锁开关、长度为30m、直径为0.4m柔性风筒、瓦斯探头以及PLC控制柜一台。

（2）局部通风机安装在距上隅角30m处的液压支架顶梁上，并将柔性风筒接入上隅角处；将瓦斯探头与PLC控制柜连接并调整保护动作值为0.8%，动作临界值为0.3%；将PLC控制采用电缆与联锁开关连接。

（3）当上隅角处瓦斯浓度达到0.8%时瓦斯探头及时将收集数据传递至PLC控制柜，并经信号处理将“开启”指令发送至联锁开关，联锁开关打开风机电源进行上隅角排瓦斯。

（4）当上隅角处瓦斯浓度降低至0.3%时瓦斯探头再次将收集数据传递至PLC控制柜，并经信号处理将“关闭”指令发送至联锁开关，联锁开关关闭风机电源。

图1 三盘区8307工作面综合瓦斯治理措施施工平面图

4 应用效果分析

（1）与传统煤层瓦斯抽采方法相比，水力造穴钻孔瓦斯预抽可以解决煤层透气系数低、瓦斯抽采难度大以及地应力大抽放钻孔成孔率低等技术难题，通过对8307工作面煤层采取水力造穴钻孔瓦斯预抽后，经检测发现煤层瓦斯抽采率达64%，在回采期间工作面瓦斯浓度控制在0.5%以下。

（2）采用高位钻孔对顶板裂隙带瓦斯预抽后，通过对采空区瓦斯检测发现，有效降低了采空区内瓦斯浓度，8307工作面在回采期间未出现采空区内瓦斯异常涌出现象。

（3）通过对工作面机头安装“Z”型风障以及移架期间安装柔性风障后，有效降低了采空区漏风量，漏风率降低至7.5%，阻止采空区内煤的自燃以及采空区内瓦斯向工作面上隅角涌出等现象。

（4）对工作面上隅角采取安装联锁通风设施进行排瓦斯，有效解决了因“U”型通风在上隅角处出现的窝风现象及导致上隅角处瓦斯集聚的技术难题，8307工作面安装联锁通风设施后，上隅角平均瓦斯浓度控制在0.4%以下。

5 结语

通过对三盘区8307工作面回采期间瓦斯超限原因进行研究分析，提出了“水力造穴瓦斯预抽+高位钻孔裂隙带瓦斯预抽+风障堵风+上隅角通风排瓦斯”等联合瓦斯治理措施，实践证明，采取联合瓦斯治理措施后，8307工作面在后期回采期间未出现工作面及上隅角瓦斯超限现象，保证了工作面安全高效回采，取得了显著成效。