大采高綜采工作面瓦斯分布特征及綜合治理技術研究

李 博

（西山煤電集團有限責任公司西曲礦， 山西 古交 030200）

對于井工煤炭開采而言，瓦斯是影響礦井實現安全、高效生產的主要災害之一，因此礦井瓦斯治理成為世界各大產煤國煤炭生產的核心內容之一。礦井瓦斯災害不僅對煤礦工人、煤炭生產設備產生直接威脅，還在一定程度上制約著礦井生產能力[1-3]。隨著我國煤炭生產技術水平的不斷提高，綜采技術逐漸應用于各大礦區，綜采技術在增加煤炭產量的同時，也使得工作面瓦斯涌出量增大，且具有不均勻性的涌出特征，導致工作面瓦斯含量急劇增加，造成瓦斯事故。

目前，許多學者針對上述問題進行了豐富的研究，俞啟香等[4]通過現場實測，對工作面瓦斯來源進行了劃分；褚廷湘等[5]經理論分析，確定了瓦斯合理抽采數值，避免采空區瓦斯與煤發生自燃現象；楊天鴻等[6]建立煤巖瓦斯耦合作用模型，分析了深部煤層開采時瓦斯透氣性的演化規律；聶百勝等[7]設計了煤體變形實驗裝置，模擬煤層開采時瓦斯吸附-解析的全過程，研究了煤層開采時瓦斯涌出特征。

本文在已有研究的基礎上，結合西曲礦18401工作面地質條件，從多角度分析大采高綜采工作面瓦斯分布特征，基于分析結果，提出工作面瓦斯綜合治理技術，為類似地質條件下工作面瓦斯治理提供借鑒。

1 工程概況

西曲礦18401工作面位于礦井南部四盤區南部，東鄰南983運輸大巷，西鄰新建村保護煤柱，南北分別為南部二盤區，為開采區域。18401工作面走向長約870 m，傾向長度為220 m，開采煤層為8號煤層，該煤層煤厚為3.1～4.1 m，平均煤厚3.9 m，煤層賦存穩定，煤層傾角為2°～5°，平均傾角為3°。南部四盤區8號煤層瓦斯含量為2.64 m3/t，殘留瓦斯含量為1.48 m3/t，孔隙率為2.95%～3.6%，透氣性系數為3.574 5～7.427 6 m2/（MPa2·d），煤層鉆孔自然瓦斯流量衰減系數為0.036d-1。煤塵自然等級為II級，具有爆炸性，指數約為23.20%。

8號煤層頂板存在一層厚度變化不大的偽頂（炭質泥巖），平均厚度為0.2m，直接頂為石灰巖，平均厚度為2.4 m，直接底約為1.5 m的細砂巖，基本底為3.1 m的粉砂巖，18401工作面柱狀圖如圖1所示。

圖1 18401工作面柱狀圖

2 綜采工作面瓦斯分布特征

2.1 工作面測點布置

18401工作面采用的是沿走向后退式綜合機械化采煤方法，在回采過程中易造成工作面上隅角、回風巷中絕對瓦斯含量超限顯現，容易引起瓦斯事故。因此，在回采過程中必須準確了解煤層瓦斯涌出及分布特點，故對工作面進行瓦斯監測點設置，從煤壁到采用區均勻布置5組測點位置，每組設置6個測點，如圖2所示。

圖2 18401綜采工作面瓦斯監測點布置圖

2.2 沿工作面方向瓦斯分布特點

18401工作面在回采、檢修時分別進行瓦斯濃度監測，回采時工作面各測點處瓦斯濃度如圖3所示，檢修時工作面各測點處瓦斯濃度如圖4所示。

圖3 回采時沿工作面方向瓦斯濃度值

圖4 檢修時沿工作面方向瓦斯濃度值

由圖3、4可知，工作面回采、檢修時，從進風側過工作面到回風側，瓦斯濃度呈現逐漸上升趨勢，靠近回風側約44 m范圍內瓦斯濃度變化趨勢較大，尤其是靠近工作面上隅角處，瓦斯變化梯度最大，造成上隅角處瓦斯聚集，說明工作面回采時，煤層涌出的瓦斯和采空區涌入的瓦斯隨新鮮風流轉移到回風側，所以在工作面靠近回風側附近瓦斯濃度急劇增大。因此，要求治理瓦斯時重點治理上隅角處瓦斯，且在煤炭生產過程中時時對其進行監測，保證安全生產。

2.3 沿垂直煤壁方向瓦斯分布特點

根據現場實測數據進行數據整理，得到回采、檢修時距煤壁不同距離處瓦斯濃度分布曲線圖，如圖5、6所示。

圖5 回采時沿煤壁方向瓦斯濃度值

圖6 檢修時沿煤壁方向瓦斯濃度值

由圖5、6可知，工作面回采時，靠近煤壁面瓦斯含量低于靠近采空區側，距離相同時，進風側瓦斯含量低于回風側瓦斯含量，呈現先減小后增大趨勢，說明工作面回采時，煤層吸附的瓦斯隨煤層回采破碎逐漸釋放，瓦斯在工作面中部隨較大風流逐漸稀釋向上運移，造成靠近回風側瓦斯濃度增大顯現。此外，采空區內涌出的瓦斯，在風流作用下，逐漸向回風側聚集。因此，要求治理瓦斯時還應考慮煤層本身吸附瓦斯的釋放及采空區內瓦斯涌入工作面現象。

3 綜合瓦斯治理技術

通過對18401綜采工作面瓦斯分布特征及來源分析，可采用本煤層預抽、高位裂隙帶抽采、煤柱鉆孔綜合瓦斯治理技術。

3.1 本煤層瓦斯預抽

瓦斯抽采鉆孔布置參數設計如下：

1）鉆孔角度設計。根據18401綜采工作面煤層傾角（2°～5°），設計鉆孔傾角為 3°。

2）鉆孔長度設計。18401綜采工作面傾向長度為220 m，為提高瓦斯抽采率，采用多打孔、打深鉆孔方式，在距工作面切眼20 m的副巷處打設沿煤層傾向方向的順層鉆孔，孔間距為3m，孔深為120m，孔徑為113 mm；在副巷口至副巷切眼20 m處施工順層鉆孔，孔間距為3 m，孔深為200 m，孔徑為113 mm。

3）鉆孔數量設計。工作面副巷長度為750 m，補副巷長度為100 m，在距離切眼處20 m處設置瓦斯抽采鉆孔，施工長度分別為120 m和200 m，打設深鉆孔依次為27和244個。本煤層瓦斯預抽鉆孔設計圖如圖7所示。

圖7 本煤層瓦斯預抽鉆孔設計圖

3.2 高位裂隙帶瓦斯抽采

根據西曲礦已采工作面18203、18201瓦斯抽放效果對比分析，最終確定高位裂隙帶瓦斯抽采鉆孔布置參數，具體如下：

1）鉆孔布置開口位置為軌道巷標記的k15點以內19 m處，鉆孔間距以10 m為單位順次向切眼方向布置，其中鉆孔深度為114 m，傾角設置為23.5°，方位為角50°（煤壁與鉆孔按照逆時針方向為正），鉆孔垂直高度為45 m，深入距離距工作面60 m，孔徑為113 m。

2）瓦斯治理巷道標記的1號點以里8 m處設置第1個鉆孔，鉆孔間距以10 m為單位向瓦斯治理巷道口施工，其中鉆孔深度為91.5 m，傾角設置為29.5°，方位角為90°（煤壁與鉆孔按照逆時針方向為正）。

18401工作面高位裂隙帶瓦斯抽采鉆孔共設置85個，高位裂隙帶瓦斯抽采鉆孔布置圖如圖8所示。

圖8 高位裂隙帶瓦斯抽采鉆孔布置圖

3.3 煤柱鉆孔瓦斯抽采

通過在瓦斯治理巷布置煤柱鉆孔，進一步解決工作面上隅角瓦斯涌出問題，具體鉆孔設計參數如下：

1）煤柱鉆孔角度設計。施工段為18401瓦斯治理巷道18401正巷，方位角為60°（煤壁與鉆孔按照逆時針方向為正）。

2）鉆孔數量設計。18401工作面正巷長度約為834m，在距離切眼16m處設置第一個孔徑為350mm的煤柱鉆孔，每隔5 m依次施工一個鉆孔，鉆孔長度為20 m，共計鉆孔施工個數為158個。

4 瓦斯治理效果分析

通過對18401大采高綜采工作面回采時瓦斯分布特征，采取了本煤層預抽、高位裂隙帶抽采、煤柱鉆孔綜合瓦斯治理技術，對礦井瓦斯進行了有效的治理，抽采前后18401工作面上隅角瓦斯體積變化如圖9所示。

圖9 抽采前后18401工作面上隅角瓦斯濃度變化曲線

由圖9可以看出，抽采前3個月上隅角瓦斯濃度（體積分數）約為0.81%，抽采后2個月瓦斯體積分數下降至0.48%，瓦斯體積分數下降了41%，通過綜合瓦斯治理技術保證了工作面的安全生產。

5 結論

采用綜合瓦斯治理技術后，18401工作面上隅角瓦斯體積分數由0.81%下降至0.48%，下降率達41%，瓦斯治理效果良好，保證了工作面的安全生產。