特厚煤层小煤柱沿空掘巷相邻采空区瓦斯置换技术

剧锦琪

(大同煤矿集团 云冈矿，山西 大同 037003)

在大同矿区石炭系特厚煤层开采过程中，通常采用减小工作面间煤柱来提高资源回收率，但在小煤柱巷道掘进期间受到相邻采空区高浓度瓦斯涌入的严重威胁。为消除相邻采空区高浓度瓦斯威胁，本文以塔山矿C3-5号层8204工作面5204小煤柱巷道为例[1-3]，通过采空区地面瓦斯抽放和井下注氮方法来治理掘进过程中的瓦斯问题，取得了良好效果。

1 工作面概况

塔山矿C3-5号层8204工作面长130.5 m，可采走向长830 m，平均煤厚12.6 m，对应地面标高1 478.8～1 582.9 m，工作面标高1 013～1 035.9 m。工作面共布置3条巷道，1条进风巷，2条回风巷。其中：2204巷为胶带巷，兼做进风巷，沿煤层底板掘进；5204巷为辅运巷，兼做回风巷，沿煤层底板掘进；8204高抽巷为独立回风巷，沿煤层顶板掘进。5204巷与相邻同层8206采空区面间煤柱为6 m，设计长度为913 m，断面为宽×高=5.0 m×3.3 m，支护方式为锚杆+锚索+锚索组合钢梁+W钢带金属网联合支护。

2 瓦斯涌出机理

5204沿空巷道掘进期间，巷道内的瓦斯约有60%以上来自相邻的8206采空区(已封闭3年)，主要是因为在巷道与采空区之间仅留有6 m的小煤柱，由于受应力场中高应力的作用，小煤柱内部裂隙较为发育、破碎形成塑性区，造成其隔离采空区气体的功能减弱，使得8206采空区瓦斯涌入到5204巷道中，影响工作面的安全高效掘进。

3 采空区瓦斯置换

针对8206采空区瓦斯严重威胁5204巷安全掘进的问题，另辟蹊径提出一种通过地面钻孔瓦斯抽放与井下注氮相结合的方法，利用注入氮气来置换采空区瓦斯，同时起到一举三得的效果：既可通过平衡8206采空区和5204巷道内的气压来降低采空区内的瓦斯向掘进巷道内渗入，又可最大程度降低采空区瓦斯对巷道掘进和工作面回采的危险，还可以通过大量注入的氮气惰化采空区，为之后工作面回采期间的防灭火工作奠定基础。

3.1 地面钻孔瓦斯抽放布置

在8206工作面采空区对应地面选取合理位置，布置2个地面瓦斯垂直抽放钻孔进行抽放。基于地表和地下实际地质条件，结合8206采空区上覆岩层“竖三带”分布情况、采空区“O”形圈理论，瓦斯在采空区“竖三带”中的运移规律，综合8206采空区与5204巷之间的相对空间关系，最终确定地面抽放钻孔参数如下：

1) 钻孔走向位置。因8206工作面回采至距停采线80 m的位置开始不放顶煤，只有当钻孔打在充分垮落采空区域内，才能取得良好的瓦斯抽放效果，综合考虑垮落带分布、8204巷道长度，最终确定将1号钻孔走向位置设置在距8206工作面停采线350 m处，2号钻孔走向位置设置在距8206工作面停采线500 m处，钻孔位置恰好对应5204巷中部区域，有利于巷道掘进过程中的瓦斯防治，地面瓦斯抽放钻孔示意见图1所示。

2) 钻孔倾向位置。基于采空区瓦斯水平方向分布规律，瓦斯在采空区内多积聚于上覆岩层垮落形成的“O”型圈内部，当钻孔布置在此范围内，抽放采空区内瓦斯最有效。若按3倍采高约50 m确定冒落高度， 60°作为垮落角计算，采空区域内“O”形圈边界位于内错5206巷40 m 处。又因8206 工作面回采期间两端3架过渡支架不放顶煤，最终确定钻孔倾向位置为内错 5206 巷约40～60 m处。

图1 地面瓦斯抽放钻孔平面示意

3) 钻孔终孔位置。基于采空区瓦斯垂直方向分布规律，瓦斯在采空区内多积聚于上覆岩层“竖三带”中的垮落带和裂隙带中，此区域瓦斯混合气体浓度高，钻孔终孔位置布置在此处抽采效率高。结合塔山矿前期施工的地面钻孔窥视数据，采空区垮落带高度为54 m，裂隙带高度在 54～210 m，最终确定钻孔终孔位置距煤层底板70 m处。

3.2 地面瓦斯抽放系统及分析

在8206采空区对应地面钻孔附近建立临时瓦斯抽放泵站，布置2台2BEY42型水环真空泵(1用1备)，额定抽排气体流量为130 m3/min，同时配套布置相应的附属设施，抽放管路选用D273 mm的钢管，通过2个直径为311 mm的垂直钻孔，对8206采空区瓦斯进行抽放，抽放的混合气体流量不小于75 m3/min。在钻孔抽放初期，混合气体中瓦斯浓度为6%～14%，瓦斯浓度大；但随着抽放工作的进行，抽放气体中瓦斯浓度逐渐降低，约为2%～12%，说明抽放措施有效降低了采空区瓦斯浓度。通过长达4个月对钻孔瓦斯抽放量和混合气体中瓦斯浓度连续实测统计，通过地面钻孔抽放的8206采空区内瓦斯超过700 000 m3，有效降低了采空区内瓦斯含量。

3.3 井下注氮系统及分析

为了置换8206采空区内积聚的高浓度瓦斯，井下利用3套注氮系统连续4个月对采空区进行注氮，具体向2206巷密闭和5206巷密闭施工注氮孔，以及在5204巷内每隔一定距离向8206采空区施工注氮孔对8206采空区进行注氮，注氮流量控制在700～800 m3/h，平均为750 m3/h。实时监测8206采空区与5204巷道之间的压力，通过及时调节注氮量来平衡两端静压，防止采空区内瓦斯向掘进巷道渗透，从而实现瓦斯的安全置换。

3.4 束管监测系统及分析

通过预埋在采空区内的束管监测系统，实时对8206采空区中遗留的瓦斯浓度进行监测，经过对实测数据统计分析可知，措施实施后，成功将采空区内的高浓度瓦斯置换出。连续监测4个月后，采空区内的瓦斯浓度从16%降低至3%左右，有效置换出采空区内的瓦斯气体。

4 结 语

在5204巷掘进期间通过采空区地面瓦斯抽放和井下注氮方法成功置换了积聚在8206工作面采空区内的瓦斯，使得采空区内瓦斯浓度降至3%左右，极大地减少了采空区内的积聚瓦斯量，有效防止了瓦斯向5204沿空掘进巷道涌出，为后期8204工作面生产期间的瓦斯防治和采空区防灭火工作奠定了基础，取得了良好的技术经济效果。