眾維煤礦難抽采煤層瓦斯四位一體綜合防治技術研究

雷永超

(河南能源化工集團新疆投資控股有限公司，新疆維吾爾自治區烏魯木齊市，830001)

瓦斯防治是煤礦安全開采需要研究的核心內容之一，隨著研究工作的深入，在礦井瓦斯治理方面形成了一系列行之有效的措施。針對特厚煤層瓦斯防治的關鍵問題，杜海剛等確定了綜放工作面臨界瓦斯抽采量[1]；程志恒等布置內錯尾巷對上隅角瓦斯治理，布置高抽巷對鄰近層瓦斯治理，抽采率超過90%[2]；王一涵設計了雙巷掘進邁步式抽放系統[3]，對沿底掘進過程中煤壁瓦斯涌出進行治理；針對瓦斯防治抽采鉆孔布置技術，赫崇國等以賀西煤礦礦井煤層瓦斯賦存條件為例，設計了地面鉆孔抽采與井下鉆孔抽采相結合、卸壓抽采與預抽相結合、穿層鉆孔與順層鉆孔相結合、采前抽采與采中抽采相結合的立體瓦斯抽采模式[4]；李修磊等以鹿洼煤礦4301煤層掘進期間上覆采空區瓦斯賦存、煤自燃實際情況，提出了“封堵裂隙-鉆孔排放-風量稀釋”三位一體[5]的瓦斯防治措施。

但對于因礦井地質條件復雜，頂板致密性好、含水量大，煤層傾角大、厚度大、變化明顯、軟分層及夾矸含量多，煤層瓦斯含量高、吸附量大、抽采困難等因素影響造成的低解吸、含夾矸、難抽采厚煤層的瓦斯防治研究較少，而且瓦斯治理難度較大。因此，以眾維煤礦為例，系統地對此條件下的瓦斯治理技術體系進行研究，對與眾維煤礦瓦斯條件相似的礦井進行瓦斯綜合防治有一定的參考價值。

1 礦井概況

1.1 煤層特征

眾維煤礦井田內含煤地層為上三疊統塔里奇克組，中、下侏羅統陽霞組和克孜勒努爾組，包括I、II、III、IV 4個含煤組，其中IV13煤層全區可采，較穩定，可采厚度較大，煤質好；其余煤層為局部可采或不可采煤層。主要可采煤層Ⅳ13厚度為1.78～10.92 m，平均厚度4.92 m，煤層傾角28°～32°，含夾矸2～5層，厚度0.06～0.96 m，夾矸多為炭質泥巖，含粉砂炭質泥巖。煤層頂底板巖性基本相同，一般為含炭泥質粉砂巖，含炭粉質泥巖、巖質泥巖。

三采區主采IV13煤層，煤層傾角30°，煤層平均厚度5.08 m，內含兩層夾矸，厚度分別為0.8 m和0.7 m，將煤層分為上、中、下3個分層。根據各巷道施工期間揭露的IV13煤層情況，其上分層煤層平均厚度1.7～2.4 m，中間分層平均厚度1.9～2.6 m，下分層平均厚度1.6～0.7 m。

1.2 瓦斯地質特征

通過在三采區布置鉆場進行煤層瓦斯含量、煤質成分分析，得到Ⅳ13煤層瓦斯地質特征。

(1)區域構造大規模的擠壓作用[6-7]，同時強烈的構造運動對煤體破壞嚴重，易形成構造煤，為瓦斯的聚集提供了必要條件；區域地層和煤層中的水流動性較差，對瓦斯保存較為有利，易于瓦斯聚集。

(2)Ⅳ13煤層瓦斯含量隨著煤層埋藏深度加深而增加。瓦斯含量與煤層埋深的關系如圖1所示，數學關系為Y=0.033X-12.70。煤層瓦斯含量梯度為3.30 m3/(t·hm)，即Ⅳ13煤層埋深每增加100 m，瓦斯含量增加3.30 m3/t。代入瓦斯含量與煤層埋深的關系式可得：Ⅳ13煤層的瓦斯含量平均為8.75 m3/t，最大瓦斯含量為13.04 m3/t。

圖1 Ⅳ13煤層瓦斯含量與埋藏深度關系

(3)煤中水分含量高，占據煤體空隙，吸附在煤的表面，從而影響煤對瓦斯的吸附[8]；煤中灰分增加，減少了生成瓦斯的物質；瓦斯含量隨著煤的變質程度升高而增加，煤的揮發分含量越低、變質程度越高，瓦斯壓力和瓦斯含量越高；煤層越厚生成的瓦斯越多，儲積的瓦斯內能越大，開掘中煤層受到破壞，突出危險性越大。

通過上述分析可以看出，主采Ⅳ13煤層瓦斯防治技術難點在于：礦井地質條件較復雜[9]，煤層賦存不穩、厚度變化大，含有2～5層夾矸，面臨含夾矸非均質煤體瓦斯抽放效果差的難題；頂板為較堅硬的中粒砂巖，含水量大，煤層傾角超過32°，中斜煤層開采對瓦斯抽采造成困難；瓦斯含量高、吸附量大、滲透率低，瓦斯抽采困難，抽放率低。

2 瓦斯綜合治理方案

2.1 方案設計

2.1.1 影響因素

結合眾維煤礦實際情況，分析礦井瓦斯來源，針對不同源頭的瓦斯采取不同的技術措施。

(1)瓦斯來源于開采層本身，可采用鉆孔抽采，也可采用巷道預抽形式直接從開采層抽出，即本煤層抽采；

(2)瓦斯來源于開采煤層的頂、底板鄰近煤層內，在開采頂底板煤、巖中的巷道打穿層鉆孔，抽采鄰近層瓦斯，即鄰近層抽采；

(3)采空區及廢巷中積聚瓦斯采用采空區抽采方法[10]；

(4)煤巷掘進中有嚴重瓦斯涌出且僅靠通風不能解決瓦斯濃度超限，需要采用鉆孔預抽或巷道邊掘邊抽方法。

2.1.2 綜合防治方案構建

眾維煤礦瓦斯治理工作主要集中在+2193 m水平以下三采區范圍內，采掘頭面有三采區輸送機下山、軌道下山、回風下山以及1301工作面、12001工作面。各作業地點施工期間均嚴格按照“四位一體”瓦斯綜合防治措施進行作業，回采工作面[11]采用預抽和邊采邊抽、掘進工作面采用邊掘邊抽和先抽后掘、采空區瓦斯采用埋管抽采[12]。眾維煤礦瓦斯治理方案如圖2所示。其中，區域突出危險性預測采用直接測定法，測定煤層原始瓦斯含量，煤層瓦斯含量≥6 m3/t為有突出危險性；區域效果檢驗、工作面突出危險性預測、工作面效果檢驗均采用鉆屑指標法，S值≥5 kg/m，K1值≥0.4 mL/(g·min1/2)有突出危險性。區域防突措施均采用本煤層條帶預抽煤層瓦斯，工作面防突措施為施工瓦斯排放鉆孔。

圖2 眾維煤礦瓦斯治理方案

2.2 防治措施

開采IV13煤層設計采用四位一體防治措施，區域防突措施均采用本煤層條帶預抽煤層瓦斯，工作面防突措施為施工瓦斯排放鉆孔。巷道掘進期間沿掘進方向每60 m作為一個評價單元，取樣測定煤層原始瓦斯含量，每30 m選取一個測點，測定煤層瓦斯含量。

2.2.1 三采區下山(預抽、邊掘邊抽)

三采區輸送機下山掘進工作面以IV13煤層第一層夾矸為頂板施工，巷道傾角28°，巷道位于煤層下分層中，區域防突措施采用每隔60 m布置一個掛耳鉆場，鉆場規格4 m×3.5 m×3.5 m(長×寬×高)，在鉆場內施工順層條帶鉆孔預抽煤層瓦斯，每組鉆場控制前方80 m，巷道兩幫各15 m，每組鉆場設計鉆孔27個，孔徑75 mm，鉆孔深度50～94 m，每循環允許區域進尺60 m，預留20 m超前距。三采區輸送機下山瓦斯抽放鉆孔布置如圖3所示。

圖3 三采區輸送機下山瓦斯抽放鉆孔布置

三采區軌道下山掘進工作面位于IV13煤層的上分層，沿煤層頂板施工，巷道傾角28°。區域防突措施采用每隔40 m布置一個掛耳鉆場，鉆場規格為3 m×3 m×3.5 m(長×寬×高)，在鉆場內施工順層條帶鉆孔預抽煤層瓦斯，每組鉆場控制前方60 m，巷道兩幫各控制15 m，每組鉆場設計鉆孔18個，孔徑75 mm，鉆孔深度52～84 m，每循環允許區域進尺40 m，預留20 m超前距。三采區軌道下山瓦斯抽放鉆孔布置如圖4所示。

三采區回風下山掘進工作面為反掘巷道，上山施工，沿煤層頂板施工，位于煤層上分層中，巷道傾角28°，其開口位于三采區2#聯絡巷處。區域防突措施為在巷道掘進頭及上幫鉆場內施工順層條帶鉆孔預抽煤層瓦斯，每組鉆場控制前方120 m，巷道上幫控制30 m，下幫(輸送機下山側)控制15 m，每組鉆場設計鉆孔34個，孔徑94 mm，鉆孔深度50～121 m，每循環允許區域進尺100 m，預留20 m超前距。

圖4 三采區軌道下山瓦斯抽放鉆孔布置

2.2.2 1301工作面切眼(預抽)

以1301采煤工作面切眼瓦斯抽采為例，按非突出煤層進行設計，當煤層有動力現象或經鑒定為有突出危險性時，重新進行設計。在掘進工作面掘進頭施工扇形鉆孔，如圖5所示，對工作面前方煤巷條帶煤層瓦斯進行預抽。根據礦方實際條件，確定預抽鉆孔控制范圍：巷道兩側輪廓線外12 m，工作面前方條帶長度為65 m(如有大功率鉆機，可增加鉆孔施工長度)，鉆孔孔徑不低于?75 mm，封孔深度應不小于8 m，以保證抽采效果。預抽鉆孔超前距不小于10 m。

2.2.3 1301工作面(預抽、邊采邊抽)

1301工作面在開拓期間，下巷道位于IV13煤層下分層，上巷道位于上分層中。施工期間由+2165 m運輸大巷施工聯絡巷進入1301上巷道，沿1301上巷道方向施工1301切眼，切眼完成后反掘1301下巷道。巷道掘進期間沿掘進方向每140 m作為一個評價單元，取樣測定煤層原始瓦斯含量，每30 m以及第140 m時各選取一個測點，測定煤層瓦斯含量。

圖5 1301工作面切眼瓦斯抽放鉆孔布置

1301下巷道施工期間，區域防突措施采用在巷道掘進頭及下幫鉆場內施工順層條帶鉆孔預抽煤層瓦斯，每組鉆場控制前方140 m，巷道上幫、下幫各20 m，每組鉆場設計鉆孔18個，孔徑94 mm，鉆孔深度48～142 m，每循環允許區域進尺120 m，預留20 m超前距。1301上巷道施工期間，區域防突措施采用在巷道掘進頭及下幫鉆場內施工順層條帶鉆孔預抽煤層瓦斯，如圖6所示。每組鉆場控制前方90 m，巷道上幫控制20 m，下幫控制10 m，每組鉆場設計鉆孔30個，孔徑94 mm，鉆孔深度33～100 m，每循環允許區域進尺80 m，預留20 m超前距。1301工作面本煤層預抽鉆孔設計鉆孔間距2 m，鉆孔深度80 m，隨巷道掘進依次施工。

圖6 1301工作面瓦斯抽放鉆孔布置

2.2.4 采空區(埋管抽采)

在工作面回風巷沿巷道底部鋪設一路瓦斯抽放管道，在距工作面切眼一定距離處設置彎管將抽放管道抬高至巷道頂部，并在巷道頂部分叉，分為多路鋼管，抽放管道的管口相互間隔5 m左右，用篩網對抽放管口進行保護，設沙袋墻對抽放管道進行保護，以此形成埋管口。在分叉處對各路分管分別安裝一個閥門，分叉處前段安裝一個總閥門。在工作面推進過程中，將各路抽放管道的埋管口保留在工作面的采空區的深度依次為20 m、15 m、10 m、5 m等，通過抽放系統對采空區瓦斯進行抽放。當工作面推進至下一路抽放管道管口附近時，關閉上一管道的閥門，同時對上一路管道進行拆卸。在采空區內的管子，梯次配備，分段抽采，進入下一循環。依此類推，以達到利用埋管不斷抽采采空區及上隅角瓦斯的目的。

3 防治效果分析

3.1 消突效果檢驗

通過對三采區回風下山掘進頭和輸送機下山1#、2#鉆場順層條帶鉆孔瓦斯參數進行分析，得到噸煤瓦斯殘余含量分別為5.7063 m3/t、5.7500 m3/t，均小于6 m3/t；煤層殘余瓦斯壓力分別為0.176 MPa、0.178 MPa，均低于0.6 MPa；1301上巷道專用回風巷控制范圍內煤層瓦斯儲量為20.59萬m3，監測顯示工作面瓦斯抽放濃度平均為0.8%，抽放混合瓦斯量為30 m3/min，瓦斯抽放純量為0.24 m3/min，工作面風排瓦斯量為0.52 m3/min，抽采率為31.58%，大于30%。各項參數均符合煤與瓦斯突出防治的相關要求。

3.2 區域驗證及工作面突出危險預測

對1301上巷道在掘進期間進行區域驗證和工作面突出危險性預測，預測結果如圖7所示。

圖7 1301上巷道掘進期間瓦斯解吸與涌出隨抽放技術的關系

從1301上巷道開口到切眼，大致劃分為3個區段：第一階段為前120 m，僅在掘進工作面采用排放措施，預測指標超標頻繁，鉆屑量S超標1次，鉆屑瓦斯解吸指標K1超標3次；第二階段為120～303 m，實施瓦斯抽放措施，但處于初期試驗階段，瓦斯抽放工藝不合理，鉆屑量超標6次，K1超標6次；第三階段為303～610 m，即6#～14#鉆場的控制范圍，對瓦斯抽放鉆孔參數進行了優化，鉆孔間距控制在6～9 m，預測參數沒有超標現象，掘進面月平均進尺數提高到100～150 m，較之前加快了1～2倍，瓦斯抽放效果明顯。

4 結論

(1)基于眾維煤礦主采的IV13煤層地質構造演化、控煤構造及聚煤規律，從盆地構造、煤層埋深、水文地質等方面分析了其對所采煤層瓦斯賦存的控制特征，得出眾維煤礦夾矸分布特征，揭示了多夾矸復雜厚煤層三維瓦斯地質分布規律。

(2)針對眾維煤礦采煤工作面、掘進工作面、采空區等多瓦斯來源，設計了以預抽、邊采邊抽、先抽后掘、埋管抽采為核心的四位一體的瓦斯綜合防治技術。

(3)瓦斯防治措施實施后，三采區回風下山及輸送機下山瓦斯監測地點噸煤殘余瓦斯含量分別為5.7063 m3/t、5.7500 m3/t，殘余瓦斯壓力分別為0.176 MPa、0.178 MPa，均位于臨界值以下；瓦斯抽采率大于30%，工作面瓦斯濃度和預測參數無超標現象，掘進速度比原來提高了1～2倍。