南莊礦井12號煤層卸壓瓦斯分源抽采技術的研究和運用

王忠輝

（南莊煤炭集團有限責任公司，山西 陽泉 045000）

南莊礦井12號煤層卸壓瓦斯分源抽采技術的研究和運用

王忠輝

（南莊煤炭集團有限責任公司，山西 陽泉 045000）

在礦井瓦斯賦存的基礎上，結合上鄰近煤巖層采動裂隙場演化及分布規律的相關理論，探索上鄰近煤巖層采動卸壓瓦斯分布富集規律，研究12號煤層卸壓瓦斯分源抽采技術并進行運用，有效進行瓦斯防治，實現安全生產。

礦井瓦斯；煤層卸壓；抽采

1 礦井概況

南煤集團南莊礦井位于陽泉市正南2.0 km處。井田面積11.84 km2，設計年生產能力為200萬t。井田位于沁水坳陷東部邊緣的北段，主要含煤地層為石灰系上統太原組和二迭系下統山西組，上組煤3號、6號煤已采完，現開采下組煤12號、15號煤。開拓方式為斜井采區式，12號煤采用走向長壁薄煤層綜采工藝，15號煤采用走向長壁低位放頂綜采工藝，頂板管理為全部垮落法。12號煤層均厚1.22 m，頂板為泥巖、砂質泥巖，底板為砂質泥巖、泥巖、中砂巖、細砂巖。

煤系地層中，各煤層均含有瓦斯，另外K2、K3、K4三層石灰巖也是主要的儲氣層。12號煤層開采時，其瓦斯主要來源于煤層本身及上下鄰近層和石灰巖K3、K4，15號煤層開采時，其瓦斯主要來源于上鄰近層和石灰巖K2。

礦井有12號和15號煤兩個通風系統，通風方式為中央分列式，通風方法為機械抽出式。12號煤層采區通風系統為“兩進一回”，回采工作面系統為“一進一回”，另配一條瓦斯抽采巷；15號煤層采區通風系統為“三進一回”，回采工作面系統為“一進一回”。

地面瓦斯抽采泵站裝備有CBF610型、2BEC72型和2BEC80型水環真空泵各2臺，從地面到井下敷設三趟抽放主管路。抽放工藝包括本煤層預抽、鄰近層卸壓鉆孔抽放、鄰近層高抽和采空區抽放。

2 12號煤層工作面上覆巖層采動裂隙分布規律

根據上覆巖層“豎三帶”、“橫三區”理論和關鍵層理論，結合12號煤層現場條件，對工作面上覆巖層采動裂隙分布規律進行分析。

2.1 工作面概況

太原組12號煤層厚度平均1.22 m，傾角約5°～7°，平均6°，賦存穩定。12號煤層工作面設計長度180 m，采高1.5 m，采用走向長壁薄煤層綜采工藝，全部垮落法管理頂板。12號煤層工作面共布置兩條巷道：一條為軌道運輸巷兼作回風巷，斷面為11.88 m2；一條為皮帶運輸巷兼作進風巷，斷面為11.88 m2。另外有一條專用抽采巷，斷面為12.42 m2。12號煤層的主要鄰近層有6號、8號、9號、10號、11號、13號煤層，其中13號煤層為下鄰近層，其余為上鄰近層。

2.2 “豎三帶”發育高度

12號煤層上覆巖層中大部分巖層的抗壓強度在40 MPa以上，因此其上覆巖層的巖性為堅硬。套用“豎三帶”經驗公式計算，冒落帶最大發育高度為9.89 m，裂隙帶最大發育高度為45.50～46.94 m。由此可知，冒落帶最高發育至11號煤層底板細砂巖，裂隙帶最高發育至8號煤層底板中砂巖。

2.3 關鍵層位置判別

根據上述分析可知，12號煤層上覆巖層中對巖層控制起作用的關鍵層有三層，分別為：

關鍵層I：12號煤層底板細砂巖，厚度為3.80 m，與12號煤層的垂距為6.00 m；關鍵層II：10號煤層頂板中砂巖，厚度為13.38 m，與12號煤層垂距為14.89 m；關鍵層III：8號煤層底板中砂巖，厚度15.93 m，與12號煤層垂距35.26 m。

在三個關鍵層中，關鍵層I、關鍵層II為亞關鍵層，關鍵層III為主關鍵層。

3 4609工作面上鄰近層卸壓瓦斯富集規律及抽采技術的研究和運用

3.1 12號煤層上鄰近層卸壓瓦斯富集規律

12號煤層上鄰近層卸壓瓦斯出現分區富集的特點：12號煤層工作面回采過程中，對工作面瓦斯涌出影響較大的是8號、9號、10號、11號煤層以及K4石灰巖，以關鍵層II（10號煤層頂板中砂巖）為界，位于關鍵層II下部的10號、11號煤層和K4石灰巖主要構成了低位瓦斯富集區，該區域處在冒落帶和裂隙帶的過渡區域，離12號煤層較近；位于關鍵層II以上的8號、9號煤層主要構成了高位瓦斯富集區，該區域位于裂隙帶和彎曲下沉帶的過渡區域，與12號煤層層間距較大。

3.2 4609工作面上鄰近層卸壓瓦斯分源抽采技術方案

由于高位瓦斯富集區和低位瓦斯富集區的垂直間距較大，其各自向12號煤層工作面的涌出特征也有所相同，根據以往所采12號回采工作面鄰近層卸壓瓦斯抽采經驗，僅用一種抽采鉆孔同時解決兩個區域的卸壓瓦斯效果較差，工作面瓦斯防治有所困難。因此研究采用12號煤層上鄰近層采動卸壓瓦斯分源抽采技術，即針對上鄰近層卸壓瓦斯高、低位分區富集的特點，分別布置高位鄰近層卸壓鉆孔和低位鄰近層卸壓鉆孔分別抽采高位瓦斯富集區和低位瓦斯富集區內的瓦斯，最終達到解決12號煤層上鄰近層卸壓瓦斯的目的。

1）在瓦斯分源抽采設計過程中主要考慮的因素：

a.根據南莊礦井12號煤層已采工作面的經驗分析，工作面回風端頭是瓦斯容易積聚的區域，這一區域長度大約有60 m，約占工作面全長的1/3。因此抽采鉆孔應布置在回風巷一側，伸入工作面60 m以上。

b.高位瓦斯富集區內的瓦斯卸壓、解吸相對于工作面的推進在時空上具有一定的滯后性，而低位瓦斯富集區的瓦斯對回采空間的影響則更直接、更迅速。抽采巷鄰近層鉆孔雖然同時穿過低位和高位瓦斯富集區，但由于保護煤柱的隔離作用，鄰近層鉆孔在工作面推過鉆孔后才起作用，無法解決低位富集區瓦斯在工作面推過后迅速涌出的問題。同時低位瓦斯富集區煤層多、瓦斯含量高，抽采巷鄰近層鉆孔形成的抽采負壓場范圍小，不能完全控制低位瓦斯富集區，應考慮在回風巷增加低位鉆孔來控制低位瓦斯富集區的瓦斯涌出問題。

c.鉆孔伸出方向應迎向風流方向，鉆孔工程量應盡可能小。

2）卸壓瓦斯抽采鉆孔技術方案：

a.考慮高位富集區瓦斯卸壓、解吸相對工作面開采線的滯后性，高位鉆孔在工作面過鉆孔一段距離后才起作用。同時考慮鉆孔伸入工作面距離以及目前的鉆孔施工技術條件，高位鉆孔采用抽采巷迎面正交布置，終孔位置到9號煤層頂板，抽采巷與回風巷之間的保護煤柱可使高位鉆孔出煤柱高度達到合適高度，不會受采動影響而破壞，以保證鉆孔抽采效果。

b.考慮低位富集區瓦斯卸壓、解吸相對工作面開采線的直接性，低位鉆孔在工作面接近鉆孔或過鉆孔很短距離即可起到作用。同時考慮鉆孔伸入工作面距離以及目前的鉆孔施工技術條件，低位鉆孔采用抽采巷迎面正交布置，終孔位置到11號煤層頂板，抽采巷與回風巷之間的保護煤柱可使高位鉆孔出煤柱高度達到合適高度，也不會受采動影響而破壞，以保證鉆孔抽采效果。

c.考慮低位富集區瓦斯對工作面后部影響的距離較大，在抽采巷布置低位鉆孔的基礎上，在回風巷布置低位鉆場予以補充，以徹底解決低位富集區瓦斯，避免對工作面后部及上隅角的瓦斯影響。低位鉆場的鉆孔采用在回風巷開孔，與工作面斜交迎向布置，鉆孔呈扇形迎向工作面方向，有利于瓦斯抽采。終孔位置沿工作面方向分布在80 m范圍，形成多個負壓場，不僅與瓦斯富集范圍相一致，而且分段截流低位富集區卸壓瓦斯，減弱了工作面后部的瓦斯累積效應，減少了風排瓦斯量及采空瓦斯殘留量。鉆場相互接力，使負壓場隨工作面推進而推進，始終處于低位瓦斯富集區開始卸壓的范圍，能夠及時有效控制該區域的卸壓瓦斯。

3.3 4609工作面上鄰近層采動卸壓瓦斯分源抽采設計

上鄰近層采動卸壓瓦斯分源抽采技術在南莊礦井4609工作面實施取得了良好效果，根據對抽采效果的考察以及實際抽采過程中積累的經驗，逐步對抽采技術體系進行改進，并推廣應用到以后回采工作面。圖1為4609工作面鄰近層抽采鉆孔布置示意圖。

在4609工作面抽采巷共布置200個上鄰近層抽采鉆孔，其中高位孔65個，低位孔135個。低位孔終孔層位打到11號煤層頂板石灰巖，高位鉆孔打到9號煤層頂板。高、低位鉆孔均垂直于抽采巷。每兩個高位鉆孔之間布置兩個低位鉆孔，高位鉆孔間距20 m，低位鉆孔間距10 m。

回風巷鉆場瓦斯抽采鉆孔布置參數：在4609工作面副巷布置66個低位瓦斯抽采鉆場，鉆場間距20 m，每個鉆場4個低位鉆孔，呈扇形布置。抽放作用覆蓋距工作面回風巷80 m范圍，鉆孔終孔伸入工作面投影位置分別為20 m、40 m、60 m、80 m。

鉆孔施工及封孔：使用ZDY4000S型全液壓坑道鉆機用配153 mm鉆頭進行施工。封孔段擴孔使用93 mm。使用150 mm管配專用封孔材料進行封孔，有效封孔長度不小于5 m。

4 結論

4609工作面于2013年5月份開始回采，2014年9月份停采。在采用上鄰近層卸壓瓦斯分源抽采技術方案后，工作面系統巷道內瓦斯涌出狀況較以往明顯改善，生產期間上隅角、工作面及回風流瓦斯濃度顯著降低，工作面鄰近層瓦斯抽采量持續在60～70 m3/min左右，工作面瓦斯抽采率始終保持在85%以上。

根據上鄰近層卸壓瓦斯富集規律分析和上鄰近層卸壓瓦斯分源抽采技術方案的效果考察和分析，得出以下結論：

1）12號煤層上鄰近層采動卸壓瓦斯的高、低位分區富集規律：12號煤層回采期間，對工作面瓦斯涌出影響較大的是8號、9號、10號和11號煤層及石灰巖K4，位于關鍵層II下部的10號、11號煤層和石灰巖K4主要構成低位瓦斯富集區，位于關鍵層II以上的8號、9號煤層主要構成高位瓦斯富集區。

2）針對上鄰近層卸壓瓦斯高、低位分區富集的特點，提出了礦井12號煤層上鄰近層采動卸壓瓦斯抽采技術方案。通過在12號煤層4609工作面的示范應用，有效解決了工作面回采期間瓦斯涌出量大的問題，加快了推進度，單產也大幅提高，充分證明該抽采技術在礦井具有顯著的有效性和廣泛的適應性。

3）確定了12號煤層工作面上鄰近層采動卸壓瓦斯分源抽采技術體系：高位鉆孔采用抽采巷正交布置，終孔位置到9號煤層頂板，伸入工作面35 m范圍內；低位鉆孔分抽采巷低位鉆孔和回風巷低位鉆孔：抽采巷低位鉆孔采用抽采巷正交布置，終孔位置到11號煤層頂板，伸入工作面15 m范圍內；回風巷鉆孔采用斜交迎向呈扇形布置，終孔位置到11號煤層，伸入工作面80 m范圍內。

4）4609工作面在實施瓦斯分源抽采技術方案后，抽采效果明顯改善，工作面風流瓦斯濃度大幅下降，工作面單產大幅提升，未發生瓦斯超限現象。今后將進一步研究初采期間配套抽采技術，使礦井12號上鄰近層采動卸壓瓦斯分源抽采技術體系更加完善。

（編輯：薄小玲）

3 結束語

瓦斯抽采是一項較為復雜的系統工程，需要在實踐中不斷優化和改善各個技術環節，逐步完善抽采工程。

本文利用AHP模型將影響煤礦瓦斯抽采現狀的各個因素進行了評價分析，并得出了各個因素的權值，我們可以依據權值的排序，有計劃、有目的地優化抽采系統和改進技術措施，對煤礦瓦斯治理有一定實踐指導意義。

「1]國家安全生產監督管理總局，國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程「M].北京：煤炭工業出版社，2006．

「2]程遠平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術的發展「J].采礦與安全工程學報，2009，2（26）：127-139．

「3]劉捷.基于AHP模型的煤礦安全預評價「J].山西大同大學學報（自然科學版），2009，25（3）：66-69．

「4]楊亞帆，張洋.貴州小型煤礦瓦斯抽采現狀評價體系的研究「J].煤炭學報,2014，6（33）：246-248．

「5]張書金，李紹泉，李樹清，等.基于層次分析法的煤礦瓦斯抽采技術成熟度評價「J].煤礦安全，2013（9）：169-172．

Abstract:Gas problem has restricted the production and development of mines for a long time.Gas drainage is an effective way to realize the coal and gas simultaneous extraction.Based on AHP model (analytic hierarchy process),an index system on gas drainage could analyze a series of factors which could influence the gas drainage technology development.The study could be helpful for the improvement of the gas drainage.

Key words:gas drainage;analytic hierarchy process;index system

（編輯：劉新光）

Research on Relieved Gas Drainage with Different Sources in Coal Seam 12 in Nanzhuang Mine

WANG Zhonghui (Nanzhuang Coal Group,Yangquan 045000,China)

On the analysis of gas occurrence in mines,combined with the fracture field development and distribution rules of adjacent upper seam mining,gas distribution and enrichment regularity caused by pressure relief of the adjacent upper seam were explored.The gas drainage technology with different sources of seam 12 was studied and used to realize the gas control and safety production.

gas in mine;coal pressure relief;drainage

On Evaluation System of Gas Drainage in Mines Based on AHP Model

LIU Jie
(Datong University,Datong 037003,China)

TD712

A

1672-5050（2015）01-0012-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.005

2014-10-15

王忠輝（1962-），男，山西祁縣人，大學本科，工程師，從事煤礦開采管理工作。