白帆

（潞安集团 余吾煤业公司，山西 长治046000）

0 引 言

工作面瓦斯治理成效对于掘进工作面施工的安全具有重要影响[1-2]，我国作为煤炭资源开采和利用的大国，国内煤炭企业中高瓦斯矿井数量占比较重，煤与瓦斯突出事故是矿井安全的主要隐患。基于此，国内各高瓦斯矿井在生产过程中，采用各种瓦斯抽采措施以提高工作面的瓦斯抽采率，一定程度上改善了矿井煤与瓦斯突出的状况，工作面采掘活动中，瓦斯涌出量也得到了有效控制。但井下瓦斯抽采率普遍偏低的状态还是没有得到妥善的解决，瓦斯灾害的形式依旧严峻。本文以余吾煤业N1105工作面为工程基础，在工作面掘进期间，采取邻近巷道区域预抽、迈步钻场边掘边抽、施工迎头释放孔、迎头钻孔预抽等措施以及采用顺层钻孔采前预抽、切眼顶板释放孔、高抽巷抽采、钻场裂隙带抽采、采空区长立管埋管瓦斯抽采等措施对保证工作面在掘进及回采期间的安全。研究并提出合理有效的瓦斯综合治理体系，对高瓦斯矿井的生产安全具有重要的现实意义。

1 工作面概况

N1105工作面位于余吾煤业北风井西翼采区，工作面沿南北方向布置，采用U型通风系统。工作面设计可采长度为2 165 m，切眼302 m，主采3号煤层，平层倾角为+4°～-3°，平均煤厚6.5 m，工作面可采储量738万t，原始瓦斯含量为10.87 m3/t，原始瓦斯压力0.52 MPa，3号煤层最大残余瓦斯含量为7.021 6 m3/t，绝对瓦斯涌出量为28.2 m3/min，相对瓦斯涌出量5.728 0 m3/t。工作面采用走向长壁、后退式大采高低位放顶煤一次采全高全部垮落式综合机械化采煤法，采用MGTY400/930-3.3D型双滚筒采煤机，滚筒截深0.8 m。

2 瓦斯治理措施应用

高瓦斯矿井综放工作面的瓦斯治理难度很大，因此在治理工作开展前，要有明确的目的性及针对性，在施工过程中严抓技术管理和施工管理。

2.1 掘进期间瓦斯治理

N1105工作面掘进期间瓦斯治理措施主要有，邻近巷道区域预抽、迈步钻场边掘边抽、施工迎头释放孔、迎头钻孔预抽[3-5]。

（1）N1105回顺施工临巷预抽钻孔。在所有符合邻近巷道预抽条件的地点，均需采取邻巷预抽措施，实现超前瓦斯治理。即利用现有巷道向邻近巷道施工顺层钻孔对后掘巷道进行掘前预抽，降低后掘巷道的煤层瓦斯含量，实现巷道的快速掘进。

（2）N1105掘进工作面进行迈步钻场边掘边抽。钻孔施工参数：迈步钻场钻孔设计深度130 m，钻头直径120 mm，呈平面扇形布置。迈步钻场钻孔6个，成三排两列布置，钻场内有2个钻孔作为超前探。除工作面胶带顺槽回采侧钻场为内宽4 m、外宽6 m、深5 m、与巷道等高的等腰梯形钻场外，其余地点迈步钻场规格均为内宽4 m、外宽6 m、深4 m、高3 m的等腰梯形钻场。N1105掘进工作面迈步钻场钻孔设计如图1所示。

图1 N1105掘进工作面迈步钻场钻孔设计Fig.1 Drilling design of N1105 heading face step drilling field

（3）N1105掘进工作面施工迎头释放孔。利用检修班对掘进工作面迎头打设释放孔，可以避免煤体瓦斯在生产期间的集中释放，降低掘进工作面生产期间的瓦斯涌出量。释放孔施工参数，释放孔施工钻头直径65 mm，孔深15 m。释放孔按1.4个/m2均分4排进行布置，各排开孔高度分别为1、1.6、2.2、2.8 m，与煤层夹角分别为0、3、7、10°，以控制煤层全厚。N1105掘进工作面释放孔设计如图2所示。

图2 N1105掘进工作面释放孔设计Fig.2 Release hole design of N1105 heading face

（3）迎头预抽钻孔。巷道迎头共施工15个钻孔，钻孔成3排5列布置，排间距0.4 m，各排钻孔开孔高度分别为1.4、1.8、2.2 m，并按列间距1 m居中布置，孔深150 m。巷道沿底板掘进时，6、9、12号钻孔兼做地质超前探钻孔使用，沿顶板掘进时4、7、10号钻孔兼地质超前探钻孔使用。钻孔施工时，先施工地质超前探钻孔，然后按钻孔编号顺序依次施工其余钻孔。巷道开口前或瓦斯异常区需采取迎头预抽钻孔进行抽采。N1105工作面迎头预抽钻孔设计如图3所示。

图3 N1105工作面迎头预抽钻孔设计Fig.3 Design of N1105 face pre-pumping borehole

2.2 回采期间瓦斯治理

N1105工作面回采期间瓦斯抽采治理措施主要有，顺层钻孔采前预抽、切眼顶板释放孔、高抽巷抽采、钻场裂隙带抽采、采空区长立管埋管瓦斯抽采等［6-8］。

（1）顺层钻孔采前预抽。所有掘进巷道符合条件的地点布置顺层钻孔对工作面进行超前预抽，使工作面安全高效回采。顺层钻孔采前预抽可以减小掘进巷道的瓦斯涌出量，还可以降低覆盖范围煤体的瓦斯含量。顺槽内的采前预抽钻孔施工范围为停采线至切眼外20 m，采用三花眼方式布置，间距2.5 m，钻孔在工作面内交叉15 m，孔深为155 m。每组钻孔施工时，要安装放水器进行放水，每个钻孔都要安装截止阀和测压嘴。钻孔不成孔时，需及时进行补孔。如地质构造等情况导致不成孔，需在工作面回采前用水钻进行补孔，消除空白带。N1105工作面顺层钻孔采前预抽孔设计如图4所示。

图4 N1105工作面顺层钻孔采前预抽钻孔布置Fig.4 Arrangement of pre-pumping borehole before mining for bedding borehole on N1105 working face

（2）切眼顶板释放孔。在N1105切眼顶板布置瓦斯释放孔，不但能解决N1105工作面初采时瓦斯涌出情况，同时也有利于初采时切眼处顶板的垮落。N1105切眼顶板释放孔施工采用锚杆钻机，垂直打入煤层顶板，顶板释放孔深3 m，孔径为φ28 mm，钻孔共计11016个。N1105切眼顶板布置如图5所示。

图5 N1105工作面切眼顶板布置Fig.5 Layout of open-cut roof of N1105 working face

（3）高抽巷抽采。综采工作面采空区瓦斯涌出量较大，为了解决采空区瓦斯治理难题，该矿采用高抽巷抽采的瓦斯治理模式，主要目的是截流采空区涌向工作面的瓦斯，以减小上隅角、后溜及回风流的瓦斯浓度。在N1105高抽巷安装2趟φ630瓦斯管，通过北风井2号总回风巷内φ800低负压瓦斯管合口，带抽工作面回采时高抽巷内涌出的瓦斯，连接处均需加1个φ630蝶阀，方便抽采系统的管理。φ630瓦斯管路敷设在锚杆+槽钢的吊架上，每5 m需2个吊点。N1105高抽巷瓦斯抽采管路布置如图6所示。

图6 N1105高抽巷瓦斯抽采管路布置Fig.6 Layout of gas extraction pipeline in N1105 high drainage roadway

（4）裂隙带钻场钻孔抽采。N1105工作面均为放顶煤作业，采空区冒落后，瓦斯通过采空区上部岩层冒落带进入岩石裂隙。采用胶顺裂隙带钻场钻孔将采空区、裂隙带这部分瓦斯抽出，减少回采作业时采空区瓦斯向切眼涌出。单U型工作面由于回顺裂隙带的钻孔层位与高抽巷层位重合，单U型工作面仅保留胶顺裂隙带钻孔。每个钻场侧面布置两排钻孔，共12个钻孔都为裂隙带钻孔。胶顺裂隙带钻孔控制工作面距胶顺30～100 m，控制煤层顶板上方30 m的范围。N1105工作面裂隙带钻场钻孔设计如图7所示。

图7 N1105工作面裂隙带钻场钻孔设计Fig.7 Borehole design of drilling field in fractured zone of N1105 working face

（5）上隅角悬管抽采瓦斯。综采队组对端尾老塘进行封堵，在回顺最后一节φ400 mm瓦斯管末端安装1根5 m长φ400 mm高压螺旋可压缩弯曲胶管，在胶管末端在安装1根2.5 m长φ400 mm瓦斯管。胶管末端安装的瓦斯管深入封堵墙1.8 m，深入部分打设筛眼并安装过滤网，防止掉落的碎煤吸入管内。随着工作面的推进，随时压缩φ400 mm高压螺旋可压缩弯曲胶管，φ400 mm末端管必须吊挂整齐，不得影响上隅角探头吊挂。φ400 mm末端管无法压缩，影响带抽上隅角时，综采队组及时回收最后1节φ400 mm瓦斯管，并将φ400 mm高压螺旋可压缩弯曲胶管安装到位，N1105工作面上隅角瓦斯抽采管路安装如图8所示。

图8 N1105工作面上隅角瓦斯抽采管路安装Fig.8 Installation of gas drainage pipeline at the corner of N1105 working face

3 瓦斯抽采效果分析

（1）抽采时间。

回风顺槽预抽钻孔施工从2017年6月开始施工抽采钻孔，到2019年3月完成工作面全部预抽钻孔的施工及并网预抽工作。胶带顺槽预抽钻孔施工从2017年3月随巷道掘进开始施工抽采钻孔，到2019年1月完成工作面全部预抽钻孔的施工及并网预抽工作。

（2）瓦斯抽采量。

N1105工作面原始瓦斯含量为10.87 m3/t，工作面煤层瓦斯储量为550.4万t×10.87 m3/t=5 982.85万m3，抽采达标（煤层残余瓦斯含量小于7.039 7 m3/t）后瓦斯储量550.4万t×7.039 7 m3/t=3 874.7万m3，应抽采瓦斯量为2 108.15万m3。

N1105工作面本煤层预抽钻孔于2017年3月1日开始施工，于2019年3月7日竣工，期间累计抽采300～1 036 d，平均抽采668 d，抽采瓦斯量2 606.8万m3，日抽采瓦斯量为3.9万m3，满足计划日常量7 900 t/d瓦斯抽采达标要求。

4 结语

根据余吾煤业N1105工作面煤层赋存条件、地质构造、打钻异常情况，在工作面掘进以及回采期间分别针对性的采取相应的瓦斯治理措施，经分析评判N1105工作面瓦斯抽采基础条件满足抽采设计以及施工要求，瓦斯抽采钻孔控制范围、抽采钻孔均匀程度满足评判达标要求且抽采钻孔空白区域采区相对应的补充措施，保证瓦斯抽采效果评判合格，N1105工作面计算及实测煤层最大残余可解吸瓦斯含量分别为4.952 1 m3/t、4.992 0 m3/t，且均小于5.0 m3/t，工作面日产600 1～8 000 t瓦斯抽采达标。