阜生礦1102工作面瓦斯綜合防治措施應用研究

葛國鋒

(山西潞安集團 左權阜生煤業有限公司，山西 左權 032600)

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·試驗研究·

阜生礦1102工作面瓦斯綜合防治措施應用研究

葛國鋒

(山西潞安集團 左權阜生煤業有限公司，山西 左權 032600)

為了解決高瓦斯突出煤層開采中的瓦斯問題，以阜生礦1102工作面為例，通過分析煤層瓦斯賦存特點和1102工作面瓦斯涌出特征，得出正?；夭善陂g1102工作面相對瓦斯涌出量為7.59 m3/t，絕對瓦斯涌出量為18.45 m3/min. 針對瓦斯涌出狀況，設計采用了順層鉆孔抽采、高抽巷抽采、采空區預埋管抽采、回風巷鉆場穿層鉆孔和封閉采空區抽采相結合的綜合抽采方法。對抽采措施進行效果檢驗，結果表明，綜合措施的采用使回采工作面瓦斯得到了有效控制，解決了高瓦斯突出煤層開采的瓦斯治理問題。

瓦斯防治；瓦斯涌出量預測；抽采措施；抽采效果

山西省突出礦井、高瓦斯礦井眾多，且多數礦井屬于高瓦斯突出近距離煤層群開采。隨著開采深度的增加，各煤層瓦斯含量隨之增大，瓦斯治理難度也逐漸增大，嚴重影響了綜合機械化采煤方法的應用和煤礦企業安全、高效生產。為了保障煤礦的安全、高效和可持續發展，需要加大瓦斯綜合治理力度，據國家相關規定[1, 2]，突出煤層必須進行區域預抽消突，高瓦斯礦井煤層瓦斯抽采率應滿足《煤礦瓦斯抽采基本指標》要求。阜生煤礦開采15#煤層時，采用“順層鉆孔抽采”、“高抽巷抽采”、“采空區預埋管抽采”、“回風巷鉆場穿層鉆孔”和“封閉采空區抽采”相結合的綜合抽采方法，有效解決了1102回采工作面的突出及瓦斯超限問題[3-8].

1 研究區地質概況

1.1 構造特征

井田位于1102工作面總體上東、西部地層，傾角較大，中部局部地層傾角較平緩。預計巷道掘進過程中，巷道坡度最小約3°，最大約20°.

井田內及周邊未發現巖漿巖侵入，據已有地質資料分析，1102回風巷掘進至約134.7 m時巷道左幫將會受到X11陷落柱影響，該陷落柱長軸長約64 m，短軸長約62 m，受影響的巷道長度約19.5 m.

1.2 煤層特征

該區15#煤層俗稱“丈八煤”，位于太原組下段中下部，上距K2灰巖5.97～12.03 m， 下距太原組底界K1砂巖5.85 m，根據該巷道相鄰巷道1101運輸順槽地質資料分析，該巷道煤層平均厚度6.5 m. 煤層層位極其穩定，全井田分布廣泛，在井田內所有鉆孔中均見此煤層，可采系數100%，是本井田的主要可采煤層。15#煤層結構較簡單，含夾矸0～3層，一般為1層，單層夾矸最大厚度可達0.37 m. 煤層頂板為砂質泥巖、泥巖，局部為粉砂巖，底板一般為泥巖。

1.3 瓦斯特征

該區15#煤層瓦斯含量介于6.68～10.73 m3/t，平均為8.82 m3/t，瓦斯含量較低。通過對影響瓦斯含量的主要因素進行分析，埋深對瓦斯含量影響較大，隨著煤層埋深的增大，瓦斯含量線性增大。根據研究區煤層埋深分布情況，井田內的15#煤層瓦斯含量由東南部向西北部逐漸增高，一采區最大瓦斯含量均分布在采區西北部，二采區最大瓦斯含量均分布在西北部井田邊界附近。同時，采用間接法對15#煤層瓦斯壓力進行了計算，結果顯示該煤層瓦斯壓力最大值為0.44 MPa.

2 工作面瓦斯綜合防治措施應用

2.1 工作面瓦斯涌出特征分析

1102回采工作面瓦斯來源主要由開采層瓦斯涌出和鄰近層(包括圍巖)瓦斯涌出兩部分組成。根據《礦井瓦斯涌出量預測方法》(AQ1018-2006)，采用式(1)進行瓦斯涌出量預測計算：

(1)

式中：

q采—回采工作面相對瓦斯涌出量，m3/t；

q1—開采層相對瓦斯涌出量，m3/t；

q2—鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t.

1) 開采層瓦斯涌出量計算。

厚煤層不分層開采時，回采工作面開采層的瓦斯涌出量計算公式為：

(2)

式中：

k1—圍巖瓦斯涌出系數，礦井頂板管理方式為全部跨落法管理頂板，取1.3；

k2—工作面丟煤瓦斯涌出系數，據回采率為93%，取1.08；

k3—準備巷道預排瓦斯對工作面煤體瓦斯涌出影響系數；利用長壁后退式回采時，系數k3按式(3)確定：

(3)

式中：

L—回采工作面長度，m，1102工作面取大值150；

h—巷道瓦斯預排等值寬度，m，1102工作面取12.4；

m—開采層厚度，m，取6.0；

M—工作面采高，m，取6.0；

W0—開采煤層原始瓦斯含量。1102工作面與1101工作面相鄰，瓦斯含量比較接近，1101工作面實測瓦斯含量最大5.66 m3/t(位于1101回風巷650 m處)，因此1102工作面最大瓦斯含量取6 m3/t；

Wc—開采煤層煤的殘存瓦斯含量，m3/t，取3.8.

代入公式(2)，得1102工作面本煤層相對瓦斯涌出量為2.58 m3/t.

2) 鄰近層瓦斯涌出量計算。

根據中煤科工集團沈陽研究院為阜生煤業編制的《礦井瓦斯涌出量預測研究報告》，經統計分析，該礦回采工作面瓦斯涌出構成開采層約占34%，鄰近層約占66%. 因此，鄰近層瓦斯涌出量為：

(4)

式中：

q2—鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；

q1—開采煤瓦斯涌出量，m3/t.

將數據代入公式(4)，得1102工作面鄰近層相對瓦斯涌出量為5.01 m3/t.

根據礦井工作面布置規劃：1102平均日產量為3 500 t. 結合工作面瓦斯涌出量計算結果，得出礦井生產時回采工作面的瓦斯涌出量預測結果，見表1.

表1 15#煤層工作面瓦斯涌出量預測結果表

從表1可以看出，正?；夭善陂g1102工作面相對瓦斯涌出量為7.59 m3/t，絕對瓦斯涌出量為18.45 m3/min.

2.2 工作面瓦斯綜合防治措施

1102回采面采用“順層鉆孔抽采“、“高抽巷抽采”、“采空區預埋管抽采”、“回風巷鉆場穿層鉆孔”和“封閉采空區抽采”相結合的綜合抽采方法。

2.2.1 順層鉆孔設計

1) 1102回風巷、回風巷鉆孔設計。

根據《設計說明書》，結合1102工作面巷道布置情況，決定分別由1102回風巷、運輸巷施工順層平行鉆孔進行采前預抽和邊采邊抽。

a) 回風巷鉆孔布置參數見表2.

表2 1102回風巷鉆孔參數表

b) 運輸巷鉆孔布置參數見表3.

表3 1102運輸巷鉆孔參數表

施工過程中應根據施工地點煤層傾角變化及時調整鉆孔傾角，確保鉆孔沿煤層施工。在施工過程中，如果地質條件復雜，起伏變化太大無法掌握合適的施工角度時，應調整角度使鉆孔實際深度盡可能達到設計長度的70%以上。

2) 1102切眼鉆孔設計。

根據潞安集團《高瓦斯礦井采掘工作面特別管理規定》：“工作面切眼煤壁要施工間距≤2 m、長度≥60 m、孔徑≥94 mm的瓦斯抽采鉆孔并網預抽，預抽時間≥3個月”。切眼鉆孔參數見表4.

表4 1102切眼鉆孔參數表

抽放鉆孔施工必須按設計的方位角等參數進行，若煤層起伏變化較大時，鉆孔傾角應根據煤層變化情況及時調整，以提高成孔率，同時要作好鉆孔進尺及相關參數的記錄，并將鉆孔編號牌上的參數按照實際進行填寫。

2.2.2 高抽巷抽采設計

據1102工作面設計平、剖、斷面圖，1102高抽巷全長936.462 m. 其中，0～86.823 m段斷面為3.5 m×3 m，采用錨桿+錨索+鋼筋梯梁+金屬網聯合支護；86.823～936.462 m段斷面為2.5 m×2.5 m，采用錨桿+金屬網聯合支護。1102高抽巷掘進方位角122°，從一采區膠帶巷內開口后先下穿一采區回風巷掘進90.218 m，然后以+15°向上掘進167.155 m后達到距15#煤層頂板20 m的砂質泥巖層中，并以砂質泥巖頂板為巷道頂板向前掘進，至巷道底板標高為+1 167.1 m時以平巷掘進，直至與1102切眼貫通。

如上所述，在回采范圍內1102高抽巷在15#煤層頂板以上約20 m，與回風巷的水平距離為50 m.

高抽巷施工完成后，在巷口建3道密閉墻，并插入管路進行抽采，1102高抽巷封閉方案示意圖見圖1.

圖1 1102高抽巷封閉方案示意圖

2.2.3 回風巷鉆場穿層鉆孔設計

該方法對采空區冒落帶內的瓦斯有較好的抽采效果，能在采空區瓦斯未進入上隅角區域前進行攔截，減輕上隅角瓦斯治理負擔。

根據《設計說明書》，回風巷掘進時在切眼側巷幫施工鉆場，鉆場間距40 m(17#鉆場距切眼60 m)，鉆場尺寸為深4 m×寬4.5 m×高3.5 m，通風為擴散通風。在鉆場內向采空區冒落帶上方施工鉆孔，使孔底處于冒落帶的上方，使其處于高濃度帶內，捕獲冒落破壞帶的瓦斯。根據1101工作面穿層鉆孔施工經驗，15#煤上部有一層黃土層，鉆孔終孔應控制在該黃土層以下，即煤層頂板以上13 m. 設計每個鉆場施工5個上向鉆孔抽采采空區瓦斯，鉆孔控制范圍為回風巷側水平距離50 m左右。1102工作面可采長度為680 m，則回風巷共需施工17個鉆場，穿層鉆孔總長度為5 040.5 m.

2.2.4 采空區預埋管抽采設計

礦井采空區采用預埋管法進行抽采，即將抽采管在頂板冒落之前直接預埋或砌筑于采空區內對采空區瓦斯進行抽采。1102工作面采用U型通風，采空區的瓦斯在風壓作用下易在回風側(上隅角)積聚，采用采空區埋管(為了取得較好的抽采效果，應盡量使抽采口處于煤層頂部濃度較高的區域內)，可將采空區大量瓦斯抽出，減小瓦斯涌向工作面，避免上隅角瓦斯超限。由于該礦15#為自燃煤層，在進行采空區抽采時，應合理控制抽采負壓。采空區預埋管抽采設計示意圖見圖2.

圖2 采空區預埋管抽采設計示意圖

2.2.5 封閉采空區抽采設計

1102工作面結采后，回風順槽永久密閉施工時，將一根d400 mm瓦斯管插入密閉內采空區10 m，對采空區瓦斯進行抽采。

由于采空區密封性較差，瓦斯濃度不會太高，并且波動很大，為確保整個抽采系統的瓦斯不低于安全濃度以下，所以插管與主管連接處必須設閥門，節流孔板和濃度檢測口，以便于及時檢測抽出的瓦斯濃度、流量。封閉采空區抽采設計圖見圖3.

圖3 封閉采空區抽采設計圖

2.3 抽采效果檢驗

2.3.1 封閉采空區抽采設計工作面瓦斯抽采量

根據《煤礦瓦斯抽采基本指標》(AQ1026-2006)，突出煤層工作面采掘作業前必須將控制范圍內的瓦斯含量降到煤層始突深度的瓦斯含量以下或降到8 m3/t以下；采煤工作面日產量2 501～4 000 t時回采前煤的可解吸瓦斯量應≤6 m3/t，根據集團公司要求回采前煤的可解吸瓦斯量應≤4 m3/t. 同時根據《防治煤與瓦斯突出規定》，突出礦井突出煤層回采前必須對煤層進行預抽，將煤層瓦斯含量降到8 m3/t以下。

2.3.2 回采工作面瓦斯抽采量計算

1) 本煤層瓦斯預抽量計算。

根據《設計說明書》，單孔瓦斯抽采量取0.033 2 m3/min，則1102工作面順層孔預抽量為：

W1102=0.033 2×(138+137)=9.13 m3/min

2) 預抽后工作面瓦斯含量。

1102工作面最大瓦斯含量為6 m3/t，回采工作面順層孔預抽量9.13 m3/min，預抽期暫定90天，則工作面瓦斯抽采量為：9.13×90×1 440=1 183 248 m3. 1102工作面瓦斯儲量為：150×680×6.0×1.35×6=4 957 200 m3. 則經過順層孔預抽后噸煤鉆孔量降為：(4 957 200-1 183 248)/[150×680×6.0×1.35]=4.57 m3/t. 預抽后煤層瓦斯含量小于8.0 m3/t，滿足規定要求。

3) 預抽后工作面可解吸瓦斯量。

(5)

式中：

Wj—煤的可解吸瓦斯量，m3/t；

Wg—抽采后煤的瓦斯量含量，m3/t；

Wc—煤的殘存瓦斯含量，m3/t，取3.8.

經計算，抽采后工作面可解吸瓦斯量為：1102工作面Wj=4.57 -3.8=0.77 m3/t<4.0 m3/t，滿足《煤礦瓦斯抽采基本指標》的規定及集團公司要求。

4) 本煤層邊采邊抽量計算。

工作面開始回采后，隨著工作面的推進，工作面后方順層鉆孔報廢，而在工作面前方未破壞的順層鉆孔仍然繼續起著作用，經過回采前煤層的預抽，煤層瓦斯含量降低，根據鄰近礦區抽采經驗，采用本煤層順層鉆孔抽采，邊采邊抽瓦斯量預計為預抽量的30%～40%，本設計取35%來計算。

通過計算，1102工作面邊抽邊采量為3.20 m3/min；工作面瓦斯抽采量(預抽與邊抽邊采合計)為：12.33 m3/min.

5) 鄰近層瓦斯抽采量計算。

1102工作面鄰近層瓦斯涌出量為12.18 m3/min，高抽巷瓦斯抽采率按照《設計說明書》取80%，則高抽巷對鄰近層的瓦斯抽采量為9.744 m3/min.

6) 采空區瓦斯抽采量計算。

《設計說明書》預測，一采區回采工作面采空區瓦斯涌出量為12.59 m3/min，預計采空區瓦斯抽采量為3.78 m3/min.

7) 工作面通風能力驗證。

1102工作面瓦斯涌出量為18.45 m3/min，抽采量為12.33 m3/min，抽采后需要風排瓦斯量為6.12 m3/min，15#煤回采工作面設計風量為2 400～3 000 m3/min，回采工作面風排瓦斯能力：q=3 000×0.8%/1.2=20 m3/min，回采工作面通風能力能滿足生產要求。

3 結 論

通過分析阜生礦1102工作面瓦斯來源，掌握了1102工作面瓦斯涌出特征，分析表明正?；夭善陂g1102工作面相對瓦斯涌出量為7.59 m3/t，絕對瓦斯涌出量為18.45 m3/min. 針對該工作面瓦斯涌出狀況，設計采用了“順層鉆孔抽采、高抽巷抽采、采空區預埋管抽采、回風巷鉆場穿層鉆孔和封閉采空區抽采”相結合的綜合抽采方法。對抽采措施進行效果檢驗，結果表明，預抽后工作面瓦斯含量降至4.57 m3/t，降到8 m3/t以下，滿足規定要求。綜合措施的采用使回采工作面瓦斯得到了有效控制，解決了高瓦斯突出煤層開采的瓦斯治理問題。

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Application and Research on Comprehensive Control Measures for Gas in Fusheng Coal Mine 1102 Working Face

GE Guofeng

In order to solve the problem of gas in the process of high gas outburst coal seam mining, taking 1102 working face of Fusheng coal seam as an example, the gas emission characteristic of 1102 working face is analyzed. The analysis shows that the relative gas emission quantity is 7.59 m3/t, the absolute gas emission quantity is 18.45 m3/min in the normal recovery process of 1102 working face. According to the situation of gas emission, the methods of bedding drilling drainage, high gas drainage roadway drainage, gob pipe drainage, air return roadway drilling field borehole and closed goaf drainage integrated drainage are adopted. The effect of drainage measures are inspected, the results show that the comprehensive measures can effectively control the gas in the working face and solve the problem of gas control in the mining of high gas outburst coal seam.

Gas prevention; Predicting gas emission quantity; Extraction measures; Extraction effect

2017-03-22

葛國鋒(1991—)，男，河南新蔡人，2012年畢業于河南理工大學，助理工程師，主要從事煤礦瓦斯治理工作

(E-mail)13838910327@163.com

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1672-0652(2017)05-0011-05