特厚煤層綜放工作面瓦斯抽采技術研究

劉 濤

（山西煤礦安全培訓中心山西太原 030012）

0 引言

隨著淺部煤炭資源的大量采出，煤礦開采逐漸向深部轉移，煤層開采深度的增大同時也給礦井的生產帶來了礦壓、瓦斯等一系列問題，特別是對于一些煤層厚度較大的礦井，由于煤層開采厚度的增大，其來壓強度與來壓步距有了一定的改變，來壓過程中瓦斯的涌出情況也有了很大的改變[1～3]。為提高在特厚煤層中瓦斯抽采效果，明確瓦斯涌出與工作面來壓之間的關系，本文以山西某礦特厚煤層開采地質條件為背景，對工作面瓦斯特征與抽采方案進行了研究，該研究結果可為相鄰其他工作面提供一定的實踐經驗，并且對其他礦區有著一定的借鑒意義。

1 工程概況

山西某礦設計生產能力為15.0 Mt/a，主采煤層為3-5#煤層，煤層傾角較小平均為5°，煤層厚度平均為15.8 m，埋深平均為450 m，工作面采用綜合機械化放頂煤開采方式。在綜放工作面正?；夭傻倪^程中，瓦斯絕對涌出量在15 m3/min～39 m3/min范圍內，當工作面發生劇烈來壓時，瓦斯涌出量發生明顯升高，最大達到67 m3/min。由于工作面開采強度較大，傳統的瓦斯抽采措施無法有效的降低工作面來壓時的瓦斯涌出量，因此有必要采取新的瓦斯抽采方案。

根據重慶煤科院對煤層瓦斯參數的測量，煤層瓦斯的壓力在0.09 MPa～0.24 MPa范圍內，瓦斯流量衰減系數為0.57 d-1～0.74 d-1，礦井共布置兩個盤區，其中一盤區瓦斯含量為1.78 m3/t，煤層的透氣性系數在171.7 m2/(MPa2·d)～428.8 m2/(MPa2·d)范圍內，二盤區瓦斯含量為2.64 m3/t，煤層的透氣性系數在1.11×10-4m2/(MPa2·d)～1.33×10-4m2/(MPa2·d)，從測定結果可知，兩個盤區均屬于瓦斯難抽采煤層，煤層透氣性較差，瓦斯聚集能力較低，傳統的瓦斯抽采方案無法達到預想效果。

為獲得綜放工作面開采過程中瓦斯含量的變化情況，取二盤區8212和8204工作面作為地質條件背景進行分析。8212工作面開采煤層的厚度平均為11.2 m，工作面推進方向長度共2610 m，傾斜長度為230 m，工作面采煤高度為3.5 m，放煤高度為7.7 m，直接頂巖層主要為泥巖與砂質泥巖，平均厚度為11.4 m，基本頂主要為粉砂巖與細砂巖，平均厚度為23.4 m，工作面通風方式為U型通風。8204工作面推進方向長度為1 020 m，傾斜長度為207 m，開采煤層平均厚度為14.3 m，工作面采高為3.5 m，放煤高度為10.8 m，通風方式與8212工作面相同，為U型通風方法。

2 工作面瓦斯與來壓關系分析

在8212工作面回采過程中，對工作面頂板發生來壓情況進行統計，同時對發生來壓時的瓦斯涌出情況進行統計，從而得到瓦斯涌出量與工作面來壓之間的關系，見圖1。從圖中可以看出，當工作面發生來壓時，空氣中的瓦斯含量出現明顯的上升情況，瓦斯涌出量超過正常含量的50%以上；在工作面采空區上隅角與回風巷道內，瓦斯含量變化幅度較小，瓦斯含量變化較大的區域主要在瓦斯預抽巷內，表明在工作面布置瓦斯預抽巷可以起到較好的瓦斯抽采效果。但工作面發生周期來壓時，預抽巷內的瓦斯含量出現急劇增大，最大達到2.58%，可以看出當工作面發生來壓時，采空區中的瓦斯大量涌入到工作面中，導致工作面瓦斯含量的突增。

圖1 工作面來壓與瓦斯含量變化關系圖

工作面各種來壓現象主要因為覆巖巖層的運動產生，巖層的彎曲、破斷規律形成了工作面初次來壓、周期來壓，根據上文分析可知，工作面頂板巖層的運動規律與來壓強度對采空區瓦斯的涌出情況有著決定性的作用。根據國家煤礦頂板分類標準，該工作面直接頂屬于第Ⅲ類穩定頂板，基本頂為第Ⅳ類穩定頂板，頂板來壓強度均比較大。由于工作面頂板來壓步距較大，懸頂長度增大導致煤壁區域承受壓力增大，煤壁區破碎程度較高，內部產生許多節理裂隙，形成了瓦斯的運移通道，導致工作面瓦斯涌出量的增大。

3 工作面煤體瓦斯滲流特征分析

工作面煤層的開挖會引起周圍巖體應力重新分布，在煤壁前方形成應力集中區，而在采空區后方形成應力降低區[4]。上文研究表明頂板巖層的破斷規律對瓦斯涌出規律有著決定性作用，由于該礦井頂板巖層硬度較大，懸頂長度的增大導致煤壁前方應力集中區內承載增大，形成大量裂隙，煤層瓦斯滲透率也有了很大的提升，在此區域內瓦斯出現卸壓情況，并且流動性有了很大的提升。對8212工作面推進過程進行數值模擬，得到工作面推進距離與圍巖應力分布關系，即工作面前方120 m范圍內為應力升高區域，煤壁前方40 m范圍應力水平較高，受工作面回采影響較大，煤壁后方采空區18 m范圍內應力較低，為應力降低區。

圖2 工作面推進距離與圍巖應力關系圖

綜合上述分析結果，煤壁前方煤體依次為應力升高、卸載以及恢復至原巖應力三個區域，而在卸載區域內，煤體內裂隙較多，煤層滲透率會出現明顯增大，瓦斯流動性強，在此區域內對瓦斯進行抽采可以提高工作面瓦斯抽采效果，減小工作面來壓時瓦斯涌出量。

4 工作面瓦斯抽采方案

4.1 瓦斯抽采方案設計

根據上述研究結果，針對該礦井特厚煤層工作面條件，采用瓦斯高抽巷+地面瓦斯鉆井相結合的瓦斯抽采方案。

圖3 8212瓦斯抽采示意圖

根據現場測試結果，8212工作面采空區內瓦斯分布規律如下：采空區與煤壁距離越大，瓦斯濃度越高；在工作面傾斜方向，回風巷一側瓦斯濃度大于進風巷一側；縱向上，水平較高位置瓦斯濃度大于水平較低位置。因此首先采取布置瓦斯高抽巷的方法對煤層瓦斯進行抽采，8212工作面瓦斯高抽巷布置在3-5#煤層上方，與煤層頂板垂直距離為20 m，水平與工作面回風巷為內錯關系，內錯距離20 m。高抽巷內瓦斯抽采量在750 m3/min～1 500 m3/min范圍內，工作面通風方式變更為U+I型通風，巷道布置見圖3。該方法可將采空區內的瓦斯流向高抽巷，令采空區上隅角瓦斯涌出量減小，降低了工作面空氣中瓦斯濃度，為保證瓦斯抽采效果，在抽采過程中，上隅角的瓦斯含量不得超過0.46%，回風流中瓦斯含量不得超過0.37%。

圖4 地面直井抽采示意圖

由于工作面開采過后，采空區頂板破斷隨著工作面推進距離的增大，逐漸呈現O性破斷特征，頂板破斷形成的裂隙同樣呈現O型圈，即在采空區邊緣頂板內裂隙發育要多于采空區中部頂板巖層。根據此頂板破斷結果，采用地面直井瓦斯抽采方法對采空區瓦斯進行抽采。通過在地面鉆井直接接入采空區內，鉆井位置沿O型圈布置，通過地面抽采系統的壓力，將采空區內的瓦斯聚集到該O型圈范圍內，通過巖層中的裂隙等進入到鉆井中實現對瓦斯的抽采。對于相鄰未采的的8204工作面，地面瓦斯抽采鉆井沿工作面走向進行布置，鉆孔以切眼前30 m為起點開始布置，鉆井間距為50 m，鉆井深度根據煤層埋深確定，深度約為450 m，鉆井與8204工作面回風巷呈內錯關系，內錯距離在15 m～40 m范圍內，鉆井布置如圖4所示。當工作面推進至與抽采鉆井15m距離時開始對瓦斯進行抽采，瓦斯抽采流量設計為1 270 m3/min，抽采過程中采空區上隅角瓦斯含量應不得超過0.8%范圍內，回風流中瓦斯含量應不得超過0.4%范圍內。

4.2 抽采效果分析

在工作面瓦斯抽采方案確定后，對20天內上隅角與回風流中瓦斯濃度進行了監測，監測結果見圖5。從圖中可以看出，上隅角與回風流中瓦斯濃度有了明顯的下降，瓦斯濃度在第三天后開始后基本穩定，上隅角瓦斯濃度在0.3%～0.5%范圍內，回風流中瓦斯濃度維持在0.2%～0.35%范圍內，瓦斯濃度較小，表明采用瓦斯抽采措施后，能夠有效的降低工作面中瓦斯含量。

圖5 瓦斯濃度變化圖

5 結論

本文以山西某礦特厚煤層工作面地質條件為基礎，對工作面來壓與瓦斯涌出量關系進行了研究，并對瓦斯涌出量突增的機理進行了分析，提出了采用瓦斯高抽巷+地面瓦斯鉆井相結合的瓦斯抽采方案，并對瓦斯高抽巷布置方案與地面瓦斯抽采鉆井方案進行了確定，從而解決工作面瓦斯含量超限的情況，對礦井安全、高效生產具有重要的意義。