大采高綜采面高瓦斯綜合治理技術優化研究

劉曉輝

（呂梁市煤礦通風與瓦斯防治中心，山西 呂梁 033000）

高瓦斯礦井采用大采高綜采工藝，回采時容易引起工作面瓦斯超限，帶來瓦斯突出、爆炸等風險。瓦斯的高效抽放治理是高瓦斯煤礦安全高效開采的前提。厚及特厚煤層采用大采高綜采時，工作面短時間內釋放大量瓦斯，同時工作面來壓時垮落頂板擠壓采空區使得工作面極易產生瓦斯超限現象[1]。回采工作面瓦斯賦存的應力環境十分復雜且受采動影響[2-3]，現有瓦斯治理技術間的不匹配影響，已有研究成果的應用受到限制，瓦斯治理效果不理想，有關瓦斯運移儲運理念和綜合治理技術需進一步研究。

本文以山西寨崖底煤礦901工作面為研究對象，采用理論分析研究了瓦斯運移和儲運規律，提出由U+I型通風、順層抽采和高抽巷抽采組成的瓦斯綜合治理和協同優化技術。以期實現瓦斯高效抽放，提高工作面安全性，為類似瓦斯治理提供參考。

1 生產地質條件

山西寨崖底煤礦屬于高瓦斯礦井，主采9號煤層平均厚度5.51m，上方31.49m處為4號煤層，煤層厚度為0.56m，瓦斯含量為5.42m3/t；上方37m處為3號煤層，煤層厚度為1.29m，瓦斯含量為5.08m3/t；下方9.05m處為10號煤層，煤層厚度為0.3m，瓦斯含量約為5m3/t。901工作面采用大采高綜采工藝，循環進度0.8m，日進尺5.6m。

根據分源法901大采高綜采工作面瓦斯相對涌出量為16.55m3/t，工作面日產8000t/d時的絕對瓦斯涌出量預計91.94m3/min，現場工作面日產量8153.6t/d，即絕對瓦斯涌出量預計達93.71m3/min。工作面采用常規一進一回布置通風系統，回采中極易導致局部瓦斯超限和瓦斯爆炸風險。因此，必須采取有效的綜合抽采瓦斯治理措施。

2 采動卸壓瓦斯運移規律研究

采動卸壓瓦斯來源：一是開采煤層本身的卸壓瓦斯；二是開采層周圍煤系地層（鄰近層）中的卸壓瓦斯[4]。9號煤層的開采會破壞本煤層及鄰近煤層應力平衡，使得應力重新分布，煤層回采后將進一步引起頂板破壞塌落，在煤層上方形成裂隙帶和垮落帶，給瓦斯的運移提供了良好的應力環境和通道，瓦斯的運移和儲集如圖1所示。

圖1 瓦斯的運移與儲集

9號煤層開采后，在頂板上方12.25～51.92m處形成大量離層裂隙，為瓦斯的存儲提供了空間，9號煤層開采后形成低壓區，10號、12號和13號煤層中積聚瓦斯將以9號煤層采空區為積聚場所，通過回采形成裂隙通道向9號煤層匯集，形成瓦斯富集區域。

3 瓦斯綜合治理技術優化

高瓦斯礦井為減少瓦斯威脅，可采用以下技術路徑：（1）增大瓦斯稀釋排放，對于回采中涌入工作面的瓦斯可以采用增大供風，減小巷道通風系統阻力；（2）積極采取預抽采和抽采，在煤層中布置抽采鉆孔、管路和專門的抽采巷道，來減少涌入工作面的瓦斯總量；（3）預防監測，對工作面瓦斯實時監測，預防發生瓦斯突出及沖擊地壓。

901大采高綜采工作面具體的瓦斯治理技術措施為：

（1）采用U+I型通風系統；

（2）順層鉆孔抽采本煤層瓦斯；

（3）頂板走向高抽巷抽采瓦斯。

3.1 采用U+I型通風系統

通過現場實測發現，9號厚煤層采用大采高綜采時極易出現短時內瓦斯大量涌出現象。這是因為煤層厚度大，剝落的煤層中大量瓦斯瞬時被釋放，同時鄰近煤層瓦斯通過裂隙帶通道進入本煤層，針對鄰近層瓦斯涌出、本煤層瓦斯涌出情況，工作面布置內錯瓦斯尾巷一進兩回U+I型通風方式，如圖2所示。

901工作面運輸巷和軌道巷分別作為進風巷和回風巷，同時在靠近回風巷、煤層中布置內錯尾巷作為回風巷。內錯尾巷可以減小上隅角風壓，充分抽采該處積聚瓦斯，同時控制煤層及鄰近層瓦斯涌入。

圖2 901工作面U+I型通風系統圖

3.2 順層鉆孔抽采本煤層瓦斯

如圖3所示，布置順層鉆孔抽采本煤層瓦斯[5]，主要由預先采和正常采兩個階段。預先采是指在工作面順槽完成掘進支護后即布置本煤層抽采鉆孔和抽采管路，進行回采前煤層的抽放。正常采是指工作面開始回采，未破壞的本煤層鉆孔隨回采進行卸壓帶內瓦斯抽放，一般抽放點超前工作面30～40m以此來減少工作面瓦斯涌出量。

圖3 本煤層鉆孔布置示意圖

鉆孔布置：工作面傾斜長度為220m，鉆孔間距2m，距離回風巷底板1.5～2m，孔深120m，孔徑Φ98mm。鉆孔采用EH1400-60履帶式全液壓坑道鉆機施工，均用Φ98mm大直徑鉆頭施工，使用聚胺脂封孔，使封孔深度達到8～10m，同時布置管路作為抽采出的瓦斯運移通路。

3.3 頂板走向高抽巷抽采瓦斯

設計頂板走向高抽巷長度為1066m，前30m為大斷面掘進，后1036m為小斷面掘進。高抽巷開口沿高抽準備巷平掘30m，以10°的坡掘進112.1m至K4石灰巖，沿K4石灰巖下部巖層掘進923.9m至后高抽巷。平行工作面順槽布置，其中距回風巷水平50m，矩形斷面尺寸為2.5m×2.4m，錨網索支護。布置的高抽巷用于預抽采本煤層頂板裂隙帶及鄰近煤層中瓦斯，減少工作面瓦斯涌出量。

結合山西寨崖底煤礦條件，實施瓦斯綜合治理技術，對9號煤瓦斯涌出情況測定，得到風排瓦斯量Qg、瓦斯涌出量Qh和抽采率，進行運移規律分析和治理效果評價。

（1）風排瓦斯量Qg，m3/min：

式中：

Q-風量，m3/min；

C-風流中平均瓦斯濃度，%。

（2）瓦斯涌出量Qh，m3/min：

式中：

k1-圍巖瓦斯涌出系數；

k2-工作面丟煤瓦斯涌出系數；

k3-采區內準備巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數；

m-開采層厚度，m；

M-工作面采高，m；

w0-煤層原始瓦斯含量，m3/t；

wc-運出礦井后煤的殘存瓦斯含量，m3/t。

（3）抽采率

式中：

Qkc-當月礦井平均瓦斯抽采量m3/min；

Qkf-當月礦井風排瓦斯量m3/min；。

4 工作面瓦斯綜合防治效果分析

2017年1月2日至2017年2月27日期間，901工作面進行了工業性試驗，選取15d實測數據如表1所示。

將實測數據帶入式1～式3計算后分析得到如圖4所示瓦斯變化：在正常回采階段配風量為3078m3/min，回風巷、尾巷瓦斯平均濃度分別為0.265%和 0.833%，平均風排瓦斯量14.638m3/min左右，工作面絕對瓦斯涌出量平均為94.751m3/min。按工作面絕對瓦斯涌出總量最大值132.019m3/min計算，工作面的平均瓦斯抽采總量109.976m3/min，平均瓦斯抽采率為83.3%≥70%，滿足采煤工作面瓦斯抽采率的規定，可見提出的瓦斯綜合治理措施有效。

表1 正常回采期間901工作面瓦斯實測表

圖4 901工作面正常回采期間瓦斯變化

5 結論

（1）受高強度回采影響，高瓦斯大采高綜采工作面在離層裂隙中易形成瓦斯富集區域，引起瓦斯超限。

（2）針對瓦斯賦存特征和運移規律，提出U+I型通風、順層鉆孔抽采本煤層瓦斯和走向高抽巷抽采的綜合治理技術，旨在增強采空區、本煤層和頂板裂隙帶內瓦斯抽放效果。

（3）現場實測表明采用綜合治理技術后工作面瓦斯濃度、絕對瓦斯涌出量減小，瓦斯抽采量、抽采率明顯增大，瓦斯超限得到有效控制。