碾溝煤業綜采工作面瓦斯抽采技術研究與應用

張克斌

（山西陽煤集團碾溝煤業有限公司，山西 清徐030400）

1 工程概況

山西陽煤集團碾溝煤業有限公司隸屬于山西陽煤集團，由清徐碾溝煤礦有限公司、洛池渠煤礦、西溝煤礦、平口煤礦以及部分空白區整合而成，礦井整合后生產能力為1.2Mt/a，為了減少礦井初期投資和縮短基建工期，將原設計兩水平各布置一個回采工作面，不留預抽面（“一井兩面”，即一采區+845m 主水平的9#煤層布置9101 工作面和在+905m 輔助水平的4#煤層布置4101 工作面）變更為+905m 輔助水平布置一個回采工作面（即在4#煤層布置4101 回采工作面），+850m 水平（主水平標高根據實際見煤情況由+845m 調整為+850m）只留部分巷道進行通風、排水等。4#煤層距上部12#煤層11.0～23.0m，本煤層厚度為0.69～2.97m，均厚1.63m，煤層相對瓦斯涌出量為20.32m3/t，碾溝煤業開采4#煤層期間礦井絕對瓦斯涌出量最高為51.31m3/min，為高瓦斯礦井。根據高瓦斯礦井通風管理經驗將回采工作面“U+L”型通風系統調整為“U+U”型，由于其開拓方式、采區布置、瓦斯預測及瓦斯抽放泵站位置的變化，需對瓦斯抽放系統及抽放量進行相應調整。為有效杜絕4101 工作面回采期間瓦斯濃度超限的問題，以4101 工作面回采期間瓦斯治理為背景，展開關于瓦斯抽采系統的研究，最終實現礦井的安全高效生產。

2 4101 工作面瓦斯抽采設計

參考以往相關的研究成果，采煤工作面回采期間，工作面及回采巷道內瓦斯主要來源于本煤層和臨近煤層[1]，因此進行碾溝煤業4101 工作面瓦斯的治理時，對開采層和臨近層的瓦斯治理措施進行設計。

2.1 本煤層瓦斯治理

該煤層瓦斯治理方法主要有開采層預抽、邊采邊抽等工藝。開采層預抽法：工作面回采前，在煤層內施工走向或傾向順層鉆孔，對煤層內瓦斯進行抽采或抽放，屬于未卸壓煤層瓦斯抽采，主要適用于透氣性良好的煤層，工作面開采前將煤層內瓦斯含量降到較低的水平。邊采邊抽法：超前工作面一定范圍內對卸壓帶內的瓦斯進行抽采，由于超前支承壓力的影響，煤層的透氣性大幅度提高，極大地增加的煤層內瓦斯的解吸速率，并使鉆孔的有效抽采半徑增大，抽采效率大幅度提高。碾溝煤業4#煤層透氣性系數為4.106 8～11.086 2 m2/MPa2·d，屬于可以抽放煤層，因此確定采取順層鉆孔預抽的抽采方法。

碾溝煤業4101 工作面長度為200m，考慮工作面相對較長，煤層較薄，單側鉆孔成孔率較小，施工難度較大，為此設計考慮采用順向平行鉆孔雙側布孔，主要有以下優點：鉆孔容易施工，成孔率高，有利于生產接替，因此設計在4101 工作面的膠帶順槽、回風順槽內分別施工順層平行鉆孔，鋪設抽采管路，工作面回采前進行瓦斯預抽；當工作面正常回采期間，采用順層鉆孔進行工作面前方卸壓帶內瓦斯的進一步抽采。4101 工作面本煤層瓦斯抽采鉆孔的布置如圖1所示。

圖1 4101 工作面開采層抽放布置示意圖

2.1.1 預抽時間的確定

碾溝煤業4101 工作面順層鉆孔直徑為90mm，現場實測得到鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.047 28～0.060 5d-1，百米鉆孔初始瓦斯涌出量0.028 33m3/m·h，4101 工作面傾斜長度約為200m，工作面推進長度為920m，不同抽采時間條件下的抽采瓦斯總量Qt 和鉆孔抽采有效系數K 的計算公式[2]：

式中：Qt為百米鉆孔在t 時間內可抽瓦斯總量，m3；T 為抽采時間，d；K為鉆孔抽采有效系數，%；q0·為百米鉆孔初始瓦斯流量，m3/min·100m，取0.028 33；a為衰減系數，d-1，取0.047 28；QJ為鉆孔極限瓦斯涌出量，QJ=1440q0/α，m3。

計算結果見表1，從表1 所示結果可以看出，隨著抽采時間的增加，抽采瓦斯的總量和有效抽采系數逐漸增大，當預抽時間由60d 增至90d 時，抽采瓦斯總量和抽采有效系數均有較大的增幅，抽采時間繼續增大，抽采瓦斯總量和鉆孔抽采有效系數增幅明顯減小，因此確定碾溝煤業4101 工作面順層鉆孔抽采時間為90d 比較科學合理，

表1 不同抽采時間內百米鉆孔抽采瓦斯總量及鉆孔抽采有效系數表

2.1.2 鉆孔間距的確定

順層鉆孔的合理布置間距可根據鉆孔的有效抽采半徑確定，抽采鉆孔影響范圍可根據下式進行計算[3-4]：

式中：η為鉆孔抽采影響范圍內的瓦斯抽采率，%；L為鉆孔實際有效長度，110-8=102m；M為煤層平均厚度，m；D為鉆孔抽采影響范圍，m；Y為煤的視密度，t/m3；X為煤層瓦斯含量，m3/t。

表2 不同鉆孔抽采范圍的抽采效率

通過式（3）計算得到不同鉆孔距離條件下的抽采效率如表2 所示，依據表2 所示結果，綜合考慮工程量、抽采效果等多方面因素，在抽采時間為90d 的前提下，當鉆孔間距為8.0m 時，瓦斯抽采率為68.81%以上，因此，確定4101 工作面順層鉆孔間距為8.0m及抽采時間為90d。

2.2 4101 工作面鄰近層瓦斯抽采設計

在采煤工作面采動影響下，其臨近煤層的透氣性大大增加，臨近煤層內瓦斯運移到采煤工作面和回采巷道內，將引起瓦斯濃度大幅度增大，因此工作面回采期間需對臨近煤層內的瓦斯進行治理，常采用高位鉆孔抽采上部臨近煤層瓦斯的方法，碾溝煤業41401工作面上部距離較近的煤層為03#和2#煤層，下部為5#和6#煤層，4#煤平均厚度1.63m，根據“三帶”理論，按照8～12 倍采高計算，4#煤裂隙帶高度在13.04m以上，4#煤與各鄰近層的層間距見表3，上鄰近層的2、03#煤均位于裂隙帶中。

根據碾溝煤業臨近煤層的賦存情況，結合陽煤集團臨近礦井的生產經驗，設計在4101 工作面采用頂板穿層鉆孔抽采臨近煤層瓦斯的措施，鉆孔布置在4101 回風順槽頂板，鉆孔間距為20m，傾斜穿層鉆孔終孔位置選擇4#煤頂板上方的裂隙帶中即2#煤層底板上方0.80m 處，高位鉆孔在回采前應施工完，其布置方式如圖2 所示。

表3 4 號煤層與鄰近層垂直距離表

圖2 臨近層瓦斯抽采穿層鉆孔布置示意圖

3 應用效果評價

碾溝煤業4101 工作面回采期間，實時監測工作面上隅角、回風順槽、軌道順槽內的瓦斯濃度，各處瓦斯濃度的變化規律如圖3 所示，由圖可知，4101 工作面回采期間絕對瓦斯涌出量維持在37.5m3/min 上下，工作面絕對瓦斯涌出量較大，通過采取順層鉆孔預抽本煤層瓦斯、頂板穿層鉆孔預抽臨近層瓦斯的措施，采煤工作面正常回采期間，上隅角的瓦斯濃度穩定在0.6%以下，軌道順槽瓦斯濃度也保持在0.6%以下，回風順槽瓦斯濃度保持在2.3%以下，瓦斯濃度符合相關的規定，為4101 工作面的安全高效生產提供了可靠保障。

圖3 4101 工作面瓦斯濃度變化

4 結 論

碾溝煤業整合后對其采煤工作面的通風方式進行了調整，為確保礦井的安全高效生產，需采取適當的措施治理瓦斯，通過理論分析計算、現場實地測試等方法，選擇順層鉆孔預抽本煤層瓦斯，并確定順層鉆孔的布置間距為8.0m，抽采時間為90d，采用頂板穿層鉆孔對上部臨近層瓦斯進行治理，設計鉆孔垂直高度19m、鉆孔布置間距為20m 等重要參數，現場應用期間通過現場監測表明，成功地將工作面各處的瓦斯濃度控制在合理范圍內，確保了4101 工作面的安全高效開采。