高瓦斯礦井三區聯動綜合治理技術與應用

田清長

（山西焦煤集團有限責任公司官地煤礦，山西 太原 030022）

官地礦2018年絕對瓦斯涌出量測定結果為85.31m3/min，相對瓦斯涌出量測定結果為13.86m3/min，屬于高瓦斯礦井。同時隨著采掘工作面的延伸，煤層瓦斯含量和壓力逐步增大，瓦斯治理難度隨之增加，瓦斯制約因素在礦井安全高效生產矛盾中越發顯著[1]。為進一步明確瓦斯綜合治理思路、治理模式，指導礦井瓦斯綜合治理工作有序開展，全面提升礦井安全生產保障能力，根據礦井生產銜接將礦井按煤炭生產區、開拓準備區、規劃區進行劃分，通過“三區”的合理劃分，制定各區域的瓦斯治理模式，實現礦井瓦斯治理工作有序開展，確保礦井的可持續健康穩定發展。

1 礦井瓦斯參數及治理現狀

1.1 瓦斯賦存

礦井主要開采 2#、3#、6#、8#、9# 五個煤層，按照煤層瓦斯涌出規律，根據礦井所采煤層埋藏深度變化，結合礦井瓦斯地質圖分析，隨著礦井由淺部向深部延伸，煤層瓦斯含量逐步呈增大趨勢[2～3]。

1.2 瓦斯抽采基礎參數

官地礦3#煤層抽采影響半徑為 5～8m，2#、6#、8#、9#煤層抽采影響半徑為4～6m。預抽瓦斯鉆孔的孔口負壓不得低于13kPa，卸壓瓦斯抽采鉆孔的孔口負壓不得低于5kPa，為提高瓦斯抽放效果，保證鉆孔封孔質量，本煤層鉆孔采用“兩堵一注”封孔工藝，封孔長度16m，裂隙帶鉆孔采用礦用合成樹脂封孔工藝，其封孔長度為8m[4]。目前，主要采取本煤層、鄰近層與上隅角抽采相結合的方法進行瓦斯抽采，其中本煤層鉆孔預抽是治理工作面瓦斯的一項重要保障措施，其預抽時間最少為6個月，而鄰近層與上隅角隨著工作面的回采進行抽采。

1.3 抽采系統

根據《煤礦安全規程》規定，在地面風峪溝建有高、低負壓瓦斯抽采泵站各一座，實現分源抽采同時也實現礦井瓦斯全覆蓋[5]。

1）高負壓瓦斯抽采泵站。高負壓瓦斯抽采泵站有2臺2BEC-72型固定水環真空泵（一臺使用一臺備用），對礦井中六區、中四區、南五區、南六區進行高濃瓦斯抽采；目前，高負壓泵站負壓31kPa，節流134mmH2O，濃度29%，抽采量38.94m3/min；現役高負壓抽采系統：主管路Ф920mm螺旋鋼管，長度330m；干管路Ф711mm/Ф610mm鋼管，長度10735m，支管路Ф325mm鋼管，長度12835m；高負壓管路總計23900m。

2）低負壓瓦斯抽采泵站。低負壓瓦斯抽采泵站有2臺2BEC-100型固定水環真空泵（一臺使用一臺備用），對礦井中六區、中四區、南五區、南六區和北四新區進行低濃瓦斯抽采；低負壓泵站負壓30kPa，節流2430mmH2O，濃度2.5%，抽采量10.92m3/min。現役低負壓抽采系統：主管路Ф920mm螺旋鋼管，長度330m；干管路 Ф711mm/Ф610mm鋼管，長度13740m；支管路Ф325mm鋼管，長度8205m；低負壓管路總計22275m。

目前，抽采率為50%，高濃濃度在28%以上，低濃濃度在4%以下。

2 礦井“三區”劃分分析

2.1 “三區”的劃分

礦井目前生產采區為北四采區上組煤、中四采區下組煤、中五采區上組煤、中六采區上組煤、南五采區中組煤、南六采區上組煤，現均已進行采掘活動，三年內接替的采區有北四采區中組煤、南五采區下組煤，五到十年后銜接中七采區上組煤、北五采區上組煤。根據礦生產銜接布置情況，將現生產采區作為生產區、三年內即將回采采區作為準備區、五到十年規劃采區作為規劃區進行瓦斯治理工程“三區”劃分依據，具體“三區”劃分如下：

生產區：北四采區上組煤、中四采區下組煤、中五采區上組煤、中六采區上組煤、南五采區中組煤、南六采區上組煤；

準備區：北四采區中組煤、南五采區下組煤；規劃區：中七采區上組煤、北五采區上組煤。

2.2 “三區”合理性分析

從目前礦井生產實際看，目前生產采區利用采前預抽、邊抽邊采的瓦斯治理模式能滿足現瓦斯治理的要求，均能實現高瓦斯礦井低瓦斯狀態下的生產要求。現礦井的“抽、掘、采”布局已經固化成型，因此在今年內難以實現“三區聯動”所要求的提前預抽與采掘作業基本分離，結合實際進行階段性規劃，加快北四采區中組煤、南五采區下組煤的采區巷道施工速度，為實現瓦斯提前預抽提供空間與時間，并實現采掘與預抽工作基本分離。規劃采區的劃分是根據礦井生產銜接最早將于五年后轉入準備采區，因此在五年時間內規劃區按瓦斯賦存條件及瓦斯涌出情況的不同分階段采取瓦斯治理措施，完全可以實現瓦斯提前治理。

因此“三區”規劃的布置是合理的。

3 三區聯動瓦斯治理

3.1 規劃區瓦斯治理

根據礦井銜接安排，規劃區主要生產中七區上組煤（2#）、北五區上組煤。

中七區、北五區上組煤經瓦斯涌出量預測，相對瓦斯涌出量在4—6.8m3/t左右，不需要施工地面瓦斯抽采鉆孔進行預抽，可直接轉入準備采區，采取施工本煤層瓦斯抽采鉆孔等措施進行瓦斯治理。

3.2 準備區瓦斯治理

準備區內的采面布置在南五區下組煤、北四新區中組煤進行回采。瓦斯治理具體如下：

1）南五區下組煤（8#、9#）。提前準備南五區下組煤區域預抽，在南五區下組煤軌道巷內利用VLD-1000型澳鉆千米鉆機施工本煤層區域預抽長走向鉆孔，每100m施工一組長走向鉆孔，每組10個鉆孔，鉆孔孔深500m，共計施工4組。對南五采區下組煤進行區域預抽，通過強化區域預抽管理，有效降低預抽區域內煤層瓦斯含量，為下一步瓦斯治理打好基礎，鉆孔施工布置圖如圖1所示。

圖1 鉆孔施工布置圖

圖2 大孔徑鉆孔示意圖

2）北四區中組煤（6#）。在北翼中組煤工作面施工瓦斯治理巷，投入大孔徑鉆機，在瓦斯治理巷施工大孔徑鉆孔，孔徑D355mm，孔深20m，用于替代上隅角埋管抽采；在瓦斯治理巷另一側布置施工順層鉆孔，鉆孔間距6m，孔深200m，對相鄰工作面區域提前進行預抽，有效降低該區域內煤層瓦斯含量。大孔徑鉆孔示意圖如圖2所示。

3.3 生產區瓦斯治理

生產區內的采面布置在北四新區上組煤、中五、中六區上組煤、中四區下組煤，瓦斯具體治理如下：

1）中六采區2#煤。中六采區2#煤綜采工作面回采期間的絕對瓦斯涌出量在18m3/min左右，抽采方法采用在工作面正、副巷沿工作面傾向施工順層密集水平鉆孔，對工作面本煤層進行采前預抽，且利用二氧化碳增透預裂技術，提高煤層透氣性，強化預抽效果；在正巷施工高低位頂板裂隙孔、頂板走向鉆孔等措施用來牽制采空區及上鄰近層瓦斯涌出，解決上隅角瓦斯問題。

圖3 中六2#煤鉆孔施工示意圖

2）中五區3#煤。中五區3#煤綜采工作面回采期間的絕對瓦斯涌出量在8m3/min左右，抽采方法采用在工作面正巷沿工作面傾向施工順層密集水平鉆孔，由于上部為2#煤采空區，故在3#煤工作面施工頂板孔至上部采空區，釋放上部采空區瓦斯，防止瓦斯涌入3#煤層工作面。

圖4 中五區3#煤鉆孔施工示意圖

3）中四采區下組煤。中四采區“采9放8”綜采工作面回采期間的絕對瓦斯涌出量在8m3/min左右，抽采方法采用在工作面正、副巷沿工作面傾向施工穿層鉆孔（從9#煤層穿8#煤層），對工作面8#、9#煤層進行采前預抽。

圖5 穿層鉆孔示意圖

4）北四新區上組煤。北四采區3#煤層綜采工作面回采期間的絕對瓦斯涌出量在5m3/min以下，抽采方法采用在上隅角埋管或插管等措施用來牽制采空區及上鄰近層瓦斯涌出，解決上隅角瓦斯問題。

圖6 北四區3#煤層工作面插管抽采示意圖

4 效果分析

由于瓦斯治理“三區聯動”規劃以現有生產銜接為基礎，除規劃區地面抽采、準備區提前大面積預抽能夠跟蹤抽采效果，其余治理效果不甚明顯；隨著采掘進一步向準備區轉換而來的區域延伸，由于準備區的超前預抽，煤層瓦斯含量將大大降低，瓦斯對采掘作業的制約明顯減輕；另外，隨著準備區內新煤層的打開，回采塊段通過區段式超前預抽效果得到逐步體現，區域預抽與采掘作業相分離將初步得以實現，并隨著采掘接替、成熟治理模式的應用推廣，最終將實現更大范圍內區域預抽與采掘作業相分離；最后，隨著地面預抽效果的逐步體現，井下新采區的建設將更加從容，結合規劃區轉換為準備區后的井下大面積區域預抽治理，仍繼續保持區域預抽與采掘作業相分離模式，持續推進銜接安全、有序。

5 結語

通過“三區聯動”規劃的實施，將形成地面、井下各類措施相結合，配合不同瓦斯含量的分級治理模式，整體思路更加清晰。同時，通過規劃區、準備區、生產區的聯動，將使瓦斯治理更加高效、有序，逐步實現瓦斯抽采與采掘作業相分離，讓采掘銜接的安全基礎更加牢靠。