综采工作面回风隅角瓦斯综合治理技术

姚美红

（山西沁和能源集团 南凹寺煤业有限公司，山西 晋城048000）

0 引 言

随着科技的不断进步，综合机械化采煤工艺已成为煤矿生产的主流工艺，机械化的普及大幅提高了煤矿企业的生产能力，采煤速度的提升造成以往的低瓦斯矿井瓦斯涌出量的提高，低瓦斯矿井升级为高瓦斯矿井[1-2]。瓦斯涌出量的增加给矿井的安全生产带来巨大的安全隐患，综采工作面中回风隅角由于瓦斯容易积聚出现瓦斯浓度过高、超限报警的情况，严重影响工作面的生产安全及生产效率[3-4]。王庄煤矿综采工作面对回风隅角瓦斯进行顶抽巷抽采、回风隅角安装瓦斯抽采管路、瓦斯抽采巷抽采等措施的综合治理，通过治理降低工作面的瓦斯浓度，为矿井安全高效生产提供基础。

1 工程背景

王庄煤矿为高瓦斯矿井，生产能力为3.6 Mt/a。主采煤层为02号煤层、2号煤层以及8号煤层。02号煤层与2号煤层层间距平均为5 m，间距较小，以联合布置的方式分层开采，单独运输，8号煤层与2号煤层之间层间距较大，单独布置工作面开采。在采用综合机械化采煤工艺后，工作面瓦斯涌出量明显增大，矿井瓦斯等级升级为高瓦斯矿井。2号煤层与8号煤层在开采过程中，回风隅角瓦斯浓度超限频繁，治理难度较大，已严重影响工作面的安全回采，因此，2号煤层与8号煤层工作面的瓦斯超限治理是保证矿井安全高效生产的重点之一。

经分析研究，工作面回风隅角瓦斯产生的主要原因有两个。一是通风原因，王庄煤矿工作面通风系统采用的是U型通风系统，进风流和回风流的压差影响下，工作面瓦斯除了随回风流进入回风巷之外，还有一部分瓦斯流入采空区内，这部分瓦斯会在工作面后半部分随气流逐渐流回工作面，最终在回风隅角汇集，而造成回风隅角瓦斯超限；二是回风隅角位置原因，回采工作面回风隅角位置靠近煤墙和采空区，此处风流速度较低，呈旋流状，采空区内的瓦斯在压力的作用下流入回风隅角，进入旋流状风流内回旋，无法随主风流排除，从而形成回风隅角瓦斯超限[5-6]。工作面风流瓦斯状态如图1所示。

图1 综采工作面风流瓦斯状态Fig.1 Status of air flow gas in the heading working face

2 回风隅角瓦斯综合治理

通过对回风隅角瓦斯汇聚超限原因的分析，得知回风隅角瓦斯来源主要为采空区瓦斯。因此回风隅角瓦斯治理重点针对采空区瓦斯进行抽采。主要通过对工作面回风隅角进行封堵以及减少采空区悬顶区控制采空区漏风情况。采用顶抽巷瓦斯抽采、回风隅角安装瓦斯抽采管路、瓦斯抽采巷大孔径抽采、瓦斯抽采巷裂隙带抽采等手段对回风隅角瓦斯综合治理。

2.1 顶抽巷瓦斯抽采

王庄煤矿8号煤层采煤工作面，在回采时顶板岩层垮落不充分，造成采空区内悬顶区过大，工作面回风隅角瓦斯积聚浓度过高，8号煤层内工作面采空区瓦斯原抽采方式是通过在采空区内埋设抽采管进行抽采，该方式瓦斯抽采效率低，无法满足综采工作面瓦斯抽采要求。基于此，选择在工作面顶部开拓1条顶板瓦斯抽采巷进行采空区瓦斯抽采。该工作面位于8号煤层内，工作面走向长1 200 m，倾向长260 m，顶抽巷全长1 250 m，顶抽巷与工作面顶板垂间距为45 m，顶抽巷施工完成后进行封闭抽采。

8号煤层工作面瓦斯总抽采量为21.2 m3/min，顶抽巷瓦斯抽采量为13.32 m3/min，达到工作面瓦斯抽采总量的62.8%，瓦斯抽采效果较为显著，有效地控制了采空区瓦斯含量，减少工作面回风隅角瓦斯汇聚。工作面顶抽巷布置示意如图2所示。

图2 1 8304工作面顶抽巷布置Fig.2 18304 working face top extraction roadway layout

2.2 回风隅角安装抽采管路

工作面回风隅角处可通过安装抽采管路采空区瓦斯抽采，抽采管路布置如图3所示。采用双管路布置，根据王庄煤矿瓦斯抽采经验，管路布设在采空区内5～25 m可达到瓦斯抽采的最大效果。双管路前后错位20 m，沿巷道顶板安装，工作面回采达到首趟管路20 m位置时，可布设次趟管路，工作面回采至首趟管路25 m位置时，将该管路断开以保证在采空区25 m范围内进行瓦斯抽采活动。

图3 抽采管路布置示意Fig.3 Extraction piping arrangement

2.3 瓦斯抽采巷大孔径抽采

2号煤层工作面原瓦斯抽采手段为瓦斯抽采巷埋管抽采，该方式在综采工作面采煤效率得到提升后无法满足2号煤层综采工作面安全生产需求。在瓦斯抽采巷施工大孔径抽采钻孔进行瓦斯抽采，钻孔沿工作面走向布设，从工作面切眼40 m外位置开始，间隔40 m布置抽采钻孔，设计孔径为650 mm，孔深20 m，以2号煤层10606综采工作面为例，在巷道底板以上1.2 m位置开孔，向10606工作面皮带巷顶板钻进，钻孔打设完成后立即下入孔径450 mm的套管，防止出现塌孔，如图4所示。2号煤层平均煤厚为2.2 m，工作面走向长为1 720 m，倾向长为230 m，在进行瓦斯抽采巷大孔径抽采后，工作面瓦斯抽采量大幅增加，抽采工序得到简化，为矿井节约了成本。

图4 大孔径钻孔布置示意Fig.4 Large borehole arrangement

2.4 瓦斯抽采巷裂隙带抽采

在10606综采工作面垂直于瓦斯抽采巷施工裂隙带高位钻孔，孔间距为6 m，孔深72 m，开孔位置位于巷道顶板与巷帮的夹角处，设计倾角37°，每个钻孔在钻进完成后立即下入62 m套管，避免钻孔出现塌孔现象，保证瓦斯抽采效果。瓦斯抽采巷裂隙带高位钻孔布置如图5所示。

图5 瓦斯抽采巷裂隙带高位钻孔布置Fig.5 High level drilling arrangement in the fissure zone of gas extraction roadway

3 治理效果分析

王庄煤矿通过回风隅角瓦斯综合治理技术对2号煤层及8号煤层内综采工作面瓦斯进行抽采治理。以8号煤层综采工作面为例，在工作面回风隅角瓦斯综合治理后进行瓦斯数据监测，分析如图6所示。工作面回风隅角瓦斯浓度随时间变化会出现上下浮动，治理实施后回风隅角瓦斯浓度最低为0.3%，最高为0.6%，瓦斯治理效果良好，工作面安全高效生产得到保证。

图6 回风隅角瓦斯浓度变化曲线Fig.6 Change curve of gas concentration in the air return corner

4 结 语

通过对王庄煤矿井下综采工作面回风隅角瓦斯积聚成因的分析研究，提出顶抽巷瓦斯抽采、回风隅角安装抽采管路、瓦斯抽采巷大孔径抽采以及瓦斯抽采巷裂隙带抽采综合治理的瓦斯防治措施，并在王庄煤矿2号煤层和8号煤层的应用中取得良好的效果，工作面回风瓦斯浓度得到显著降低，满足综采工作面安全生产的需求，达到瓦斯治理的目的。