南莊煤礦瓦斯綜合治理技術(shù)研究與實踐

馮建生 王玉懷

（1.國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，017209；2.華北科技學院，河北省三河市，065201）

南莊井田位于沁水煤田陽泉礦區(qū)東南邊緣，煤系地層屬石炭二疊系的太原組和山西組。井田內(nèi)有15層煤，從上往下依次為1＃煤層、2＃煤層……14＃煤層、15＃煤層，其中6＃煤層局部可采，12＃和15＃煤層賦存穩(wěn)定，全部可采，其余煤層為不可采煤層。煤系地層中 3＃、6＃、8＃、9＃、10＃、11＃、12＃煤層均含有大量瓦斯，煤層上部的K2、K3、K4石灰?guī)r中也含有大量瓦斯，15＃煤層中瓦斯含量較小。

南莊煤礦建礦多年，井田內(nèi)大部分區(qū)域已開采完畢，僅剩12＃煤層六采區(qū)和15＃煤層八采區(qū)，12＃煤層六采區(qū)在15＃煤層八采區(qū)正上方，兩煤層同時進行開采。礦井核定生產(chǎn)能力為200萬t／a，屬高瓦斯礦井。

1 12＃煤層六采區(qū)綜采工作面瓦斯治理技術(shù)

12＃煤層瓦斯含量高，上鄰近層瓦斯含量也高，工作面開采過程中，上鄰近層大量瓦斯沿裂隙下行進入工作面，與本煤層瓦斯疊加，引起工作面瓦斯超限。為治理12＃煤層綜采工作面瓦斯，南莊煤礦針對工作面開采強度、瓦斯來源和瓦斯涌出量等具體情況，經(jīng)過多年探索、實踐和改進，逐步形成了高低位鉆孔相結(jié)合的瓦斯綜合治理技術(shù)。

由于12＃煤層工作面瓦斯主要來源于上鄰近層，所以針對12＃煤層上鄰近層不同的瓦斯聚積區(qū)，分別布置不同類型的鉆孔進行專門抽采。按照抽采目標層位的不同，從下向上布置的瓦斯抽采鉆孔依次有回風巷初采鉆孔、瓦斯抽采巷初采鉆孔、回風巷低位鉆孔和瓦斯抽采巷高位鉆孔。本文以12＃煤層2126回風巷和2126瓦斯抽采巷鉆孔為例進行分析。

1.1 瓦斯涌出量與風量

經(jīng)統(tǒng)計，12＃煤層六采區(qū)工作面初采期間最大瓦斯涌出量為22.1 m3／min，平均瓦斯涌出量為11.35 m3／min；正?；夭善陂g最大瓦斯涌出量為10.18 m3／min（風排），平均瓦斯涌出量為9.15 m3／min（風排），正常回采期間的最大瓦斯抽采量為19.6 m3／min。

針對上述情況，12＃煤層六采區(qū)工作面根據(jù)正?；夭善陂g的最高瓦斯涌出量配風，經(jīng)計算工作面配風量為1222 m3／min。

1.2 回風巷初采鉆孔設(shè)計

12＃煤層六采區(qū)初采期間，由于工作面頂板裂隙發(fā)育高度達不到高位鉆孔所在位置，高位鉆孔暫時不起作用，容易出現(xiàn)瓦斯超限。針對這種狀況，在12＃煤層回風巷專門設(shè)計了初采鉆孔。

回風巷初采鉆孔抽采目標是初采期間工作面頂板到11＃煤層之間的瓦斯。在2126回風巷距切眼40 m處布置1號鉆場，間隔20 m布置2號鉆場，在1號和2號鉆場內(nèi)布置初采鉆孔。每個鉆場分別設(shè)計5個初采鉆孔，鉆孔開孔位置距底板1.5 m，鉆孔間距為0.5 m，孔徑160 mm。在水平面上鉆孔終孔位置距回風巷水平距離分別為10 m、15 m、20 m、25 m、30 m，在垂直面上1＃、2＃、3＃、4＃鉆孔終孔位置在12＃煤層與11＃煤層之間，5＃鉆孔終孔位置在11＃煤層內(nèi)，距12＃煤層頂板約11 m。1號鉆場初采鉆孔設(shè)計如圖1所示。

圖1 1號鉆場初采鉆孔設(shè)計

1.3 瓦斯抽采巷初采鉆孔設(shè)計

瓦斯抽采巷初采鉆孔抽采目標是初采期間11＃煤層向上到10＃煤層之間的瓦斯。終孔位置垂高在13～25 m之間，孔徑160 mm。瓦斯抽采巷內(nèi)的初采鉆孔共設(shè)計有3個，與工作面切眼的水平距離為15 m、22 m、29 m。2126瓦斯抽采巷初采鉆孔設(shè)計如圖2（a）、（b）所示。

1.4 回風巷低位鉆孔設(shè)計

低位鉆孔抽采目標是正常開采期間10＃、11＃煤層和K4石灰?guī)r中的瓦斯。在回風巷距2號鉆場20 m布置3號鉆場，以后每隔20 m布置一個鉆場，每個鉆場布置3個鉆孔，終孔位置在11＃煤層與10＃煤層之間。除1號和2號鉆場外，回風巷其余鉆場內(nèi)的鉆孔均為低位鉆孔。3號鉆場低位鉆孔設(shè)計如圖3所示。

1.5 瓦斯抽采巷高位鉆孔設(shè)計

高位鉆孔主要是通過抽放圍巖或采空區(qū)瓦斯在上鄰近層瓦斯向采空區(qū)運移時進行攔截。高位鉆孔抽采目標是正常開采期間9＃煤層到8＃煤層之間的瓦斯。終孔位置在9＃煤層上方到8＃煤層之間，在瓦斯抽采巷內(nèi)距工作面切眼36 m處布置1號鉆場，以后每間隔20 m布置1個鉆場。每個鉆場內(nèi)布置2個鉆孔，孔徑為160 mm。高位鉆孔設(shè)計如圖2（a）、（c）所示。

圖2 2126瓦斯抽采巷初采及高位鉆孔設(shè)計圖

圖3 3號鉆場低位鉆孔設(shè)計圖

上述初采鉆孔、低位鉆孔和高位鉆孔控制住了12＃煤層上部所有煤巖層中的瓦斯，使這些瓦斯在受采動影響下行過程中被不同高度的鉆孔抽采到地面，保證了工作面生產(chǎn)安全。

2 15＃煤層八采區(qū)綜采工作面瓦斯治理技術(shù)

15＃煤層八采區(qū)是南莊煤礦的主采區(qū)，工作面開采強度較大，本煤層瓦斯含量低，工作面開采過程中涌出的瓦斯主要來源于上鄰近層。瓦斯治理技術(shù)有開采解放層和利用高抽巷治理瓦斯兩種。

2.1 開采解放層

把12＃煤層作為15＃煤層的解放層先行開采，12＃煤層開采后，12＃煤層及其上部煤巖層中的大量瓦斯得到釋放，再開采15＃煤層時瓦斯涌出量就很小了，采用通風稀釋和排除瓦斯的方式，就可以治理工作面的瓦斯。綜采工作面除布置進風巷和回風巷外，再布置一條內(nèi)錯尾巷。進風巷和回風巷沿煤層底板布置，內(nèi)錯尾巷沿煤層頂板掘進，為半煤巖巷道。內(nèi)錯尾巷的作用是分流采場一部分瓦斯，減輕上隅角和回風巷排放瓦斯的壓力。

2.2 利用高抽巷治理15＃煤層瓦斯

如果15＃煤層綜采工作面開采時，其上部12＃煤層還沒有布置工作面進行開采，則在15＃煤層工作面上部煤巖層中布置高抽巷，利用高抽巷治理15＃煤層工作面瓦斯，巷道設(shè)計如圖4所示。

圖4 高抽巷設(shè)計

工作面布置一條進風巷、一條回風巷、一條內(nèi)錯尾巷和一條高抽巷。高抽巷的設(shè)計要求是：

（1）高抽巷位于裂隙帶內(nèi)，有裂隙通道與高抽巷連通；

（2）高抽巷伸入采空區(qū)應盡量最長，而不冒落，以保證高抽巷有較大的作用范圍；

（3）高抽巷應設(shè)在卸壓充分、瓦斯容易聚集的區(qū)域，以保證較高的抽采瓦斯?jié)舛?。理論上高抽巷設(shè)置在冒落帶最大高度線以上裂隙帶以內(nèi)的區(qū)域，綜合考慮裂隙發(fā)育程度、頂板穩(wěn)定性、高抽巷抽采半徑、掘進速度以及成本等多重因素，最終確定高抽巷的位置在12＃煤層，在裂隙帶內(nèi)靠近回風巷一側(cè)，與八采區(qū)工作面回風巷的水平距離為50 m。

因?qū)严恫⒉皇乔醒坶_始推進就發(fā)育至高抽巷，而是隨著工作面推進上覆巖層逐漸垮落、裂隙形成后逐步延伸至高抽巷，因此，高抽巷起作用要滯后工作面開切眼一段距離：

式中：X——高抽巷掘進頭距切眼水平距離，m；

h——高抽巷距開切眼的垂距，取45 m；

α——上覆巖層垮落角，取65°。

經(jīng)計算，高抽巷掘進頭距切眼的水平距離為21 m。

2.3 通風與瓦斯抽采設(shè)計

（1）瓦斯涌出量與風量。以15＃煤層八采區(qū)8818工作面為例，經(jīng)統(tǒng)計，8818初采期間瓦斯最大涌出量是24.73 m3／min，平均瓦斯涌出量是10.49 m3／min；正常回采期間的最大瓦斯涌出量是6.88 m3／min（風排），平均瓦斯涌出量是3.48 m3／min（風排），瓦斯抽采量是 23.77 m3／min。按正?；夭善陂g的最大瓦斯涌出量配風，剩余的瓦斯通過抽采系統(tǒng)排到地面。通過計算工作面配風量為826.8 m3／min。

（2）初采期間瓦斯抽采。初采期間，工作面推進距離在0～21 m時，由于上部煤巖層中裂隙還沒有擴展上升到高抽巷，高抽巷不起作用。但是14＃煤層、13＃煤層以及K2、K3石灰?guī)r中的瓦斯通過裂隙涌入工作面，會造成瓦斯超限，因此，針對初采瓦斯進行了抽采設(shè)計。在15＃煤層八采區(qū)工作面切巷內(nèi)（靠近回風側(cè)）向高抽巷方向打5個鉆孔，鉆孔與高抽巷連通，鉆孔直徑為200mm，在高抽巷負壓作用下，初采瓦斯沿鉆孔上行進入高抽巷內(nèi)，經(jīng)瓦斯抽采管抽出到地面，如圖4（b）所示。

（3）初采結(jié)束后瓦斯抽采。初采結(jié)束后，高抽巷與工作面之間已有裂隙導通，利用高抽巷抽采瓦斯。高抽巷抽采量大，瓦斯?jié)舛雀?，抽采效果非常好?/p>

3 實施效果

實踐證明，上述瓦斯治理技術(shù)治理瓦斯效果明顯，不僅杜絕了工作面瓦斯超限，還增加了瓦斯抽采量，保證了煤礦生產(chǎn)安全。項目實施前礦井瓦斯年抽采量為2656萬m3，項目實施后第一年年礦井瓦斯抽采量為2810萬m3，第二年年礦井瓦斯抽采量為3631萬m3，共計增加抽采瓦斯量1129萬m3，平均年增量564.5萬m3，平均每年增加效益254萬元。

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