車寨礦井3號煤層瓦斯抽放治理研究

宋朝春

(晉城乾泰安全技術(shù)有限責任公司，山西 晉城 048000)

1 礦井概況及瓦斯賦存狀況

車寨礦為新建礦井，位于晉城市澤州縣下村鎮(zhèn)，設(shè)計生產(chǎn)能力為150萬t/a，礦井主采3號煤層，儲量約為19 094萬t。車寨礦的主立井和副立井均位于井田的中央位置, 在工業(yè)場地東側(cè)較平坦的山坡階地上布置回風立井[1]。礦井3號煤層屬于不易自燃煤層，而且不具備煤塵爆炸的危險性。

由于車寨礦為新建礦井，故無法實現(xiàn)井下瓦斯含量測試。參考相關(guān)地區(qū)的地質(zhì)勘探報告可知，此處的3號煤層瓦斯分帶主要為氮氣-甲烷帶，個別地段為甲烷帶，可燃基瓦斯含量區(qū)間為(1.30～7.18)mL/g·daf，平均可燃基瓦斯含量為4.51 mL/g·gaf。

根據(jù)中煤科工集團編寫的《山西晉煤集團興唐煤業(yè)有限公司車寨礦3號煤層瓦斯涌出量報告》可知，該礦的相對瓦斯含量為(5.94～10.58) m3/t，車寨礦井3號煤層地質(zhì)瓦斯含量等值線分布如圖1所示。

圖1 車寨礦井3號煤層地質(zhì)瓦斯含量等值線分布

2 瓦斯抽采的可行性和必要性

2.1 瓦斯抽采的可行性

煤礦開采層是否具有瓦斯抽采的可能性及難易程度，主要取決于兩個指標：煤層透氣性系數(shù)(λ)、鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)(α)[2]。結(jié)合兩個系數(shù)的大小，對其進行綜合分析，從而確定開采層預抽瓦斯的難易程度。

因車寨礦井為新建礦井，無井下實測瓦斯含量，而王坡煤礦位于車山井田南側(cè)，特別是與車寨礦井首采區(qū)比鄰，同時兩礦井均開采3號煤層的煤，開采方法一致，因此參考王坡煤礦3號煤層的相關(guān)參數(shù)，車寨礦井的鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.006 7～0.015 2，透氣性系數(shù)為1.745～4.864 (m2/MPa2·d)。依據(jù)鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)進行預測，車寨礦井3號煤層的抽采難度屬于可以抽放類型，依據(jù)透氣性系數(shù)進行預測，車寨礦井3號煤層的抽采難度屬于可以抽放類型，所以車寨礦井3號煤層可以進行瓦斯抽采，這是下一步礦井開展瓦斯抽放的先決條件。

表1 開采層預抽瓦斯難易程度分類

2.2 采空區(qū)瓦斯抽采的可能性

車寨礦采空區(qū)瓦斯抽采的可能性主要有兩個原因：第一是根據(jù)礦井生產(chǎn)計劃選用的長壁綜采放頂煤方法，頂板會隨著工作面的回采整體垮落，由于車寨礦井3煤層厚度較大，因此采空區(qū)丟煤較多，開采后采空區(qū)未開采的頂煤自行垮落，造成煤層中的瓦斯釋放；第二個原因是采動過后，下部的鄰近層也會有部分的瓦斯涌入采空區(qū)[3]。在這兩個因素的作用下，大量瓦斯涌出到采空區(qū)，在礦井負壓的主導作用下，瓦斯會涌入到生產(chǎn)作業(yè)頭面，從而造成工作面回風隅角和回風巷道的瓦斯超限。因此，采空區(qū)瓦斯抽采勢在必行。

2.3 從資源利用和環(huán)保分析瓦斯抽放必要性

瓦斯作為影響礦井安全的主要災(zāi)害之一，其一旦出現(xiàn)集聚和涌出，很可能出現(xiàn)瓦斯爆炸事故，造成的后果不堪設(shè)想。同時，瓦斯還是一種嚴重影響環(huán)境的有害氣體，它不僅可以污染大氣環(huán)境，使地球大氣的臭氧層遭到破壞，而且還是一種危害巨大的溫室氣體，相同體積瓦斯造成的溫室效應(yīng)，是相同體積二氧化碳造成的溫室效應(yīng)的二十多倍。雖然瓦斯有很多的弊端，但是它卻是一種非常優(yōu)質(zhì)的能量資源，合理利用可以取得顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。同時，車寨礦井3號煤層瓦斯儲量1 892.59 Mm3，可抽瓦斯量946.3 Mm3[4]。因此，從資源開發(fā)利用和環(huán)境保護的視角來看應(yīng)當開展瓦斯抽采。

3 瓦斯抽放方案

根據(jù)礦井各生產(chǎn)階段瓦斯涌出量預測結(jié)果，車寨礦井瓦斯來源為：回采工作面占38.59%～39.84%，掘進工作面占15.72% ～16.96%，采空區(qū)占44.44%～44.45%。

車寨礦井首先開發(fā)的3號煤層是厚煤層，瓦斯賦存量大，因此瓦斯主要來自開采層本身。因此瓦斯抽放方案根據(jù)巷道布設(shè)方式、礦井地質(zhì)條件、瓦斯涌出組合，因車寨礦井為新建礦井，暫時無采空區(qū)，因此在礦井開采初期，設(shè)計以抽采開采層瓦斯為主、抽采采空區(qū)瓦斯為輔，邊采邊抽、邊掘邊抽和預抽融為一體的立體、整體綜合瓦斯抽采的作法。

3.1 開采層瓦斯抽采方法

根據(jù)瓦斯抽采鉆孔分布于開采層的方式[2]，可以選擇采用順煤層鉆孔抽采和穿層鉆孔抽采兩種抽采方式。但是車寨礦井工作面的巷道采用沿煤層布置方式，所以這里只能選用順煤層鉆孔抽采方式。采用順層平行鉆孔單側(cè)布置方式，回采工作面長度200 m，設(shè)計在預抽巷道內(nèi)施工，工作面內(nèi)鉆孔設(shè)計長度為180 m，單側(cè)鉆孔間距為3.0 m，終孔直徑d0=94 mm。負壓范圍為(13～20) kPa，封孔材料選用水泥砂漿。3號煤層采前預抽瓦斯鉆孔(順層)布置示意圖如圖2所示，預抽時間1.5 a。在回采工作面的前推下，正前方煤體會受卸壓作用影響，產(chǎn)生相應(yīng)裂隙帶，借助于此可以提高瓦斯抽采率，降低瓦斯涌出量，鉆孔報廢時間是工作面煤壁推進到距鉆孔開口點5 m時，鉆孔停止抽采。

圖2 3號煤層采前預抽瓦斯鉆孔(順層)布置示意

3.2 掘進面瓦斯抽采方法

在原始煤層中進行巷道掘進時，鉆場應(yīng)在掘進工作面的兩側(cè)交錯布置施工，這種施工方式可以保證在掘進作業(yè)過程中掘進和抽采的理想效果。

抽采鉆孔布置：在掘進頭面的正前方進行鉆孔布置，工作面迎頭鉆孔布置數(shù)量為10個，鉆孔布置形式為三花形雙排布置，開孔間距約為1 m，鉆孔布置傾角應(yīng)與煤層傾角相同；下排鉆孔布置傾角與煤層傾角為-1.5°；橫川中鉆孔布置間距為2 m，鉆孔布置傾角與煤層傾角為-1°，鉆孔長度約為180 m。掘進面預抽工作只有在抽采效果符合檢驗要求后才可以繼續(xù)掘進。

當瓦斯含量較大時，抽采鉆孔布置：掘進工作面鉆場間鉆孔搭接長度20 m，雙巷掘進時可只在兩巷道外側(cè)布置抽采鉆場；巷道內(nèi)側(cè)可不布置鉆場，可將聯(lián)絡(luò)巷作為煤柱抽采鉆孔的鉆場，施工煤柱瓦斯抽采鉆孔，以減少煤壁瓦斯涌出，掘進面瓦斯抽采方法如圖3所示。

3.3 采空區(qū)瓦斯抽采方法

針對采空區(qū)的封閉情況，分別采用不同的瓦斯抽采方法。未封閉的綜采工作面作業(yè)采空區(qū)，采用鉆孔法抽采采空區(qū)裂隙帶瓦斯或埋管抽采采空區(qū)瓦斯。已封閉的綜采工作面采空區(qū)，可以選用在密閉上埋管進行抽采或者向封閉的采空區(qū)施工鉆孔進行抽采[5]。

3.3.1 采空區(qū)埋管抽放

采空區(qū)埋管抽放方法是提前把瓦斯抽放管路伸入采空區(qū)，采空區(qū)的頂板垮落后，預埋的瓦斯抽放管可以繼續(xù)對采空區(qū)進行瓦斯抽采。采用埋管抽放法時，應(yīng)注意抽采點的高度，一般選用2～3 m的高度為宜。同時，由于抽放管在頂板垮落后會受到一定的沖擊，所以吸氣口需要采取防砸和防堵的措施。建議采用的防堵措施是將吸氣口焊成“T”形立管，同時在立管周圍用鐵絲網(wǎng)纏繞。建議采用的防砸措施是采用木垛將“T”形立管圍起來，這種方法可以有效防止抽放管被頂板砸倒，簡單易行，成本低廉。

圖3 掘進面瓦斯抽采方法示意

圖4 采空區(qū)埋管抽采方法示意

聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采口的最佳位置是在工作面后部(100～150) m的范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)進行抽采不僅可以抽到較高濃度的瓦斯，而且對于解決隅角瓦斯也非常有效。

3.3.2 高位長鉆孔抽放瓦斯

高位長鉆孔抽放瓦斯在綜采工作面的回風巷道進行施工，鉆孔角度為垂直鉆孔或與工作面推進方向呈一定角度的仰角長鉆孔，瓦斯抽放鉆孔的終孔位置位于采空區(qū)上方的裂隙帶內(nèi)[6]。采用這種抽采方式，可以改變采空區(qū)的流場方向，使采空區(qū)形成負壓，減少了瓦斯向采煤工作面涌出，降低了工作面瓦斯突出的風險。

圖5 頂板傾向高位鉆孔抽放上隅角瓦斯抽采方法示意

3.3.3 全封閉采空區(qū)抽采瓦斯

采空區(qū)在全封閉情況后，通常囤積著大量的高濃度瓦斯，其會由于礦壓作用而在煤體中形成的孔洞或縫隙等通道外泄到礦井風流中。因此，礦井可以采取在密閉的巷道上埋壓瓦斯抽放管路，或通過定向鉆工施工至采空區(qū)等進行抽采瓦斯。

4 結(jié) 語

在煤礦生產(chǎn)作業(yè)過程中，瓦斯的大量涌出嚴重影響著礦山安全生產(chǎn)的順利進行，嚴重阻礙著日常工作生產(chǎn)的有序開展。通過對車寨礦井3號煤層瓦斯賦存狀況和生產(chǎn)期間的瓦斯來源分析研究，認為車寨礦井具備建立瓦斯抽放系統(tǒng)的必要性，本文結(jié)合礦井實際情況設(shè)計良好的抽放方案，從而將有效在礦井建成投產(chǎn)后解除瓦斯超限對生產(chǎn)的束縛。