张志忠
（山西华宁煤焦有限责任公司，山西 临汾 042100）
山西华宁焦煤有限责任公司（以下简称“华宁公司”） 位于山西省乡宁县西南部，要里、崖坪、王家沟、南岭反理村一带，行政区划属西坡镇管辖。2009 年华宁公司进行资源整合和企业兼并重组，整合后矿井能力为3.00 Mt/a，近几年瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井，井田面积24.814 5 km2，批准开采煤层为2～12 号煤层，目前主要开采2 号煤层。矿井采用斜井开拓，单水平开采，开采水平为+740 m 水平。矿井目前为一井一区一面的生产格局，正在开采2 号煤层一盘区，即将进入二盘区开采。为保障二盘区顺利安全生产，对矿井瓦斯灾害情况进行分析，并根据实际情况，设计瓦斯抽采方法。
目前，华宁公司矿井一盘区工作面在回采过程中，绝对瓦斯涌出量已超过5 m3/min。随着开采进入深部的二盘区，煤层瓦斯含量越来越高、瓦斯涌出量将越来越大。根据《山西华宁焦煤有限责任公司矿井2 号煤层瓦斯涌出量预测报告（3.0 Mt/a）》可知，矿井2 号煤层二盘区瓦斯含量最大，开采二盘区时矿井绝对瓦斯涌出量将达到26.23 m3/min，回采工作面绝对瓦斯涌出量将达到11.59 m3/min，预测矿井二盘区生产时将成为高瓦斯矿井。
二盘区回采工作面瓦斯涌出中，本煤层瓦斯涌出占77%左右，邻近层瓦斯涌出占23%左右，由于上部1上、1、2上号煤层薄且存在的范围小，其邻近层瓦斯涌出主要来自于下部的3 号、7 号煤层。因此，矿井回采工作面瓦斯主要来自于本煤层和下邻近层。
华宁公司目前未采取本煤层预抽和下邻近层瓦斯抽采措施，工作面回采期间本煤层和下邻近层瓦斯均涌入采空区，加之工作面通风方式为“U”型，导致回采期间回风隅角瓦斯浓度较高。因此，矿井面临的瓦斯灾害治理问题主要为回采工作面回风隅角瓦斯治理。
3.1 总体设计
根据煤矿资料，华宁公司矿井2 号煤层二盘区瓦斯含量为3.14 m3/t，残存瓦斯含量为1.56 m3/t。虽然煤层可解吸瓦斯含量较小，但是由于产量大回采工作面绝对瓦斯涌出量较大。回采工作面将面临的主要瓦斯问题是回风隅角瓦斯治理困难。目前治理回风隅角瓦斯的主要方法有裂隙带瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采。
3.2 裂隙带瓦斯抽采
根据华宁公司2 号煤层赋存情况以及巷道布置方式，回采工作面煤层顶板裂隙带瓦斯抽采可采用顶板高位裂隙钻孔或顶板走向定向长钻孔抽采瓦斯，下面对具体抽采方案进行比选。
3.2.1 顶板走向定向长钻孔抽采（方案一）
在煤炭的开采过程中，上方的岩层会形成垂直的“三带”和水平的“三区”，同时采空区的四周会形成一个闭环形的采动裂隙，被称为“O”型圈。这个“O”型圈随着采煤工作的推进而逐渐扩大，并一直存在，是采空区游离瓦斯移动的主要通道和聚集的地方。在通风系统的负压作用下，大量的瓦斯会聚集在工作面的回风侧“O”型圈区域，造成瓦斯超限。
在华宁公司2 号煤层回风侧煤层顶板的上方，设计布置了一些顶板走向定向长钻孔。随着工作面回采，这些定向钻孔的末端逐渐进入顶板裂隙带。在抽采负压的作用下，通过定向长钻孔将采动裂隙形成的“O”型圈内的瓦斯引流到抽采管网中，从而降低工作面上隅角的瓦斯聚集。
根据华宁公司2 号煤层二盘区具体情况，在回风顺槽顶板上方每500 m 布置1 组定向钻孔，每组3 个钻孔，钻孔长度580 m，孔径133 mm，钻孔垂高控制在25～40 m，内错工作面间距控制在15～45 m。裂隙带顶板走向定向钻孔平面布置如图1 所示。
图1 顶板走向定向长钻孔抽采法示意Fig.1 Schematic of roof strike directional long borehole extraction method
3.2.2 顶板高位裂隙钻孔抽采（方案二）
在华宁公司2 号煤层回风巷内，垂直回风巷向工作面煤层顶板方向掘进一个抬高钻场，钻场尺寸宽2.5 m，高2.2 m，深4 m，为了确保钻场的通风，采用了导引风筒导风的通风方式。钻场60 m 左右设置1 个，在每个钻场内施工7 个扇形钻孔，方向是迎着工作面推进方向，钻孔终孔间距为5 m，距煤层顶板的垂直距离为10～40 m（顶板以上），钻孔终孔位置位于采空区上方裂隙带内，抽采采空区上方煤层顶板裂隙带内瓦斯，如图2 所示。
图2 顶板高位裂隙钻孔抽采方法示意Fig.2 Schematic of roof high-level fracture drilling extraction method
3.2.3 方案选择
方案一已在华宁公司一盘区进行了应用，抽采效果较好；
而方案二虽然在山西其他条件类似矿井有过应用，且有些矿井取得了良好效果，但是由于钻场掘进工程量大、钻孔数量多，难以满足工作面高效生产的要求。综合考虑，华宁公司2 号煤层裂隙带瓦斯抽采采用方案一，即采用顶板走向定向长钻孔进行瓦斯抽采。
3.3 采空区瓦斯抽采
3.3.1 生产工作面抽采
根据工程经验，可采用插管法或埋管法抽采华宁公司2 号煤层目前正在生产的工作面内的采空区瓦斯。
（1） 方案一：埋管法抽采。
在回风巷内敷设抽采管，随着工作面推进，抽采管管口保持伸入采空区10～30 m，将采空区顶部瓦斯进行抽采，并使采空区气体向埋管口流动，以此治理采空区瓦斯涌出，如图3 所示。
图3 采空区抽采示意Fig.3 Extraction schematic of goaf
在回风巷内，铺设直径较大的抽采管，并隔一段距离串接1 个带有组合阀门的三通管件支管，作为抽采吸入口。随着工作面的不断推进，管路上的吸入口进入最佳抽采位置时（伸入采空区10～30 m），对应的吸入口组合阀门就会打开，抽采采空区内的瓦斯，从而防止采空区的瓦斯向工作面涌出。
（2） 方案二：插管法抽采。
现生产工作面的采空区采用插管法抽采采空区内瓦斯，插管抽采方法如图4 所示。
图4 生产采空区插管抽采示意Fig.4 Intubation extraction in production goaf
（3） 方案选择。
方案一已在华宁公司一盘区应用，抽采效果较好。此外，借鉴一盘区埋管抽采参数也便于优化二盘区抽采参数。方案二在一盘区的应用效果不如方案一，且要求工作面回风巷侧邻近的工作面有具备进行插管抽采的巷道。综合考虑，华宁公司2 号煤层现采空区瓦斯抽采采用方案一，即采用埋管法进行瓦斯抽采。
3.3.2 老空区抽采
经过分析研究，已采完的采空区采用密闭插管法抽采瓦斯，并在顶底板坚固的岩（煤） 层巷道修建永久性封闭，确保周边掏槽密闭、见硬帮硬底。华宁公司打双层密闭，密闭墙厚度不小于1 m，中间用黄土充填，间距大于0.5 m，并在巷道四周2～3 m 喷浆密封，同时设置泥浆注入管和采气测温管。
在距离密闭里墙面大于0.5 m 处设置抽采管口，高度大于巷道高度的1/3，且抽采管口附近禁止堆放杂物。如果遇到巷道的淋水较大时，在密闭底部安设排水管，如图5 所示。
图5 密闭老空区瓦斯抽采示意Fig.5 Gas extraction in closed old goaf
3.4 钻机选型及钻孔施工
3.4.1 钻机选型
根据上述华宁公司确定的瓦斯抽采方法，钻孔施工选用1 台千米定向钻机，钻机岩孔成孔深度大于600 m，具体参数如下：
3.4.2 抽采钻孔施工
（1） 施钻。所有抽采钻孔施工均宜选择在煤壁完整且无裂隙处开孔，并按设计参数进行施工，作参数记录。
（2） 封孔。采用“两堵一注”的封孔工艺封孔，具体封孔工艺过程如下。
①固定封孔器：取出成套封孔器，将封孔器孔底囊袋前段抱箍固定在抽采管既定位置，如图6 所示。
图6 固定封孔器Fig.6 Fixed hole sealer
②送抽采管：将抽采管逐节连接，防止注浆管弯折将注浆管固定在抽采管上，然后逐节推送入钻孔内，至全部封孔器和抽采管送入钻孔中。
③注浆封孔，如图7 所示，打开井下压风，利用空气调节阀将风压调至适当压力；
向搅拌桶内倒入适量封孔材料，并按合适的水灰比进行混合，搅拌均匀后，打开注浆泵，排出注浆泵内的空气和水。
图7 封孔注浆过程Fig.7 Sealing grouting process
将注浆管和注浆泵连接，向封孔器囊袋内注浆，随着注浆量增加，注浆泵出浆压力逐渐升高至爆破阀额定压力，此时封孔器囊袋完全注满。当注浆泵出浆压力超过爆破阀额定压力后，封孔器爆破阀打开向钻孔封孔段内注浆，直至达到设计要求的注浆压力后停止注浆，此时钻孔封孔段已注满，并最终实现带压注浆。
④封孔后清理：完成封孔段注浆后，并将桶内剩余物料注入钻孔孔口段；
拆除各个连接接头，清洗注浆泵和搅拌桶。
为保障煤矿开采顺利安全进行，本文根据华宁公司即将开采二盘区的情况，分析了该矿目前面临的主要瓦斯问题。通过分析，矿井面临的瓦斯灾害治理问题主要为回采工作面回风隅角瓦斯治理，据此对治理方案进行研究，最终确定了煤层裂隙带瓦斯抽采采用顶板走向定向长钻孔抽采方案，现采空区瓦斯采用埋管法进行抽采，老采空区瓦斯采用密闭插管法抽采。实践表明，采用设计的瓦斯抽采方案后，华宁公司二盘区实现了顺利开采，回采工作面没有出现瓦斯超限的问题，瓦斯治理效果良好。
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