厚煤層大采高工作面瓦斯綜合治理技術研究

王學兵 蘇保山

（國能烏海能源五虎山礦業有限責任公司，內蒙古 烏海 016000）

煤礦瓦斯是煤礦井下危險性易燃易爆氣體，瓦斯抽采已成為煤炭礦井瓦斯問題解決和高效利用瓦斯的最合理方式[1-4]。大采高、高瓦斯礦井綜采工作面推進的速度較快，頂板垮落面積過大，瓦斯的集中涌出易導致上隅角、回風流等地點瓦斯超限，阻礙礦井安全高效生產[5-8]。因此，瓦斯濃度的降低是實現高瓦斯礦井安全回采的關鍵。

1 工作面概況

011206 綜采工作面位于五虎山礦12#層盤區南翼，工作面煤層底板標高+989～+1020 m，工作面走向長為1090 m，采高為4.5 m，傾斜長為170 m，日產量為5000 t。五虎山煤礦鑒定結果為高瓦斯礦井，礦井瓦斯絕對涌出量62.24 m3/min，相對瓦斯涌出量17.3 m3/t，二氧化碳相對涌出量3.68 m3/t，瓦斯壓力為1.13 MPa。

2 瓦斯涌出量計算與分析

回采工作面瓦斯涌出量：

式中：q2為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t，q1為開采層相對瓦斯涌出量，m3/t；q采為相對瓦斯涌出量，m3/t。

開采層瓦斯涌出量：

式中：K1為圍巖瓦斯涌出系數，1.2；K2為回采工作面瓦斯涌出系數，1.05；K3為采區內準備巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數，0.78；M為工作面采高，4.5 m；W0為煤層抽采后殘余瓦斯含量，5.45 m3/t；Wc為運出礦井后煤炭的殘存瓦斯含量，2.35 m3/t。

鄰近層瓦斯涌出量：

式中：Ki為第i個鄰近層瓦斯排放率，%；mi為第i個鄰近層煤層厚度，m。

工作面上覆9#、10#煤層均為采空區，13上2#、13#煤層為下鄰近層。011206 工作面12#煤抽采后殘余瓦斯量取5.45 m3/t。煤炭殘存瓦斯量0.94 m3/t，原始瓦斯量4.68 m3/t。將上述參數代入公式計算，得011206 工作面瓦斯涌出量為10.73 m3/min。

3 瓦斯治理方案

3.1 瓦斯抽采方法

在011206 回風繞道鉆場共計施工26 個定向鉆孔，工程量13 458 m，對工作面回風巷0～647 m 范圍進行抽采；在011206 回風順槽650 m 瓦斯抽采鉆場，施工42 個定向鉆孔，鉆孔累計工程量為15 165 m，對工作面回風巷650～1090 m 范圍進行抽采；在工作面中切眼和切眼之間沿運輸巷布置本層傾向鉆孔，鉆孔深100～160 m，鉆孔間距7.5 m。

圖1 011206 工作定向及傾向鉆孔布置圖

高位瓦斯抽放鉆孔布置在回風順槽內，從切眼外處70 m 開始，距皮帶巷105 m 處停止，每組布置鉆孔5 個，設計鉆孔孔深74～96 m，每組鉆孔搭接20 m，共設計布置鉆場14 個，鉆孔70 個，設計工程量6504 m。具體設計如圖2 所示。根據礦井抽采經驗，預測高位鉆孔瓦斯抽采量約為1.5 m3/min。

圖2 011206 工作面高位鉆孔布置示意圖

抽采管敷設在工作面回風巷內，抽采管前端兼作埋管，抽采管管口伸入采空區隨著工作面推進保持在30～50 m，抽出采空區瓦斯。

設置一個彎管在抽采管末端，使其抽采管口延伸至回風巷頂，在抽采管口豎立木垛對管口保護，作為埋管口。后部抽采管間隔30～50 m 安裝一組組件，包含控制閥門和埋管口以及三通。在開采中，保留采空區中的埋管口，對采空區瓦斯進行系統抽采。接替埋管口埋在采空區內3～5 m 處且工作面推進到下一個埋管口三通處時，將采空區內的前一埋管段控制閥門關閉，打開下一循環的埋管口閥門，利用埋管持續抽采。

圖3 埋管抽采示意圖

3.2 管路技術參數計算

（1）本煤層預抽鉆孔抽放管路直徑

瓦斯抽放濃度以30%為標準，則通過管路內的混合流量為：

Q=11.32÷30%=37.73 m3/min

根據公式：

式中：Q為管路的抽放流量，取值37.73 m3/min；V為管路的經濟流速，取值15 m/min。

（2）本煤層預抽鉆孔抽放管路阻力的計算

本煤層預抽抽放管路鋪設一趟300 mm 管路進行抽放。

① 沿程阻力計算

H1=9.81·Q2·L·γ/（K·D5）

H1=9.81×（37.73×60）2×940

×0.822/（0.71×305）=2 251.5 Pa

② 局部阻力計算

局部阻力取沿程阻力15%，即H2=337.7 Pa。

③ 尾巷預埋管總阻力計算

H總=H1+H2=2589.2 Pa=2.589 2 kPa

（3）采空區抽放管路直徑

瓦斯抽放濃度以30%為標準，則通過管路內的混合流量為：

Q=5.24÷30%=17.47 m3/min

根據公式：

式中：Q為抽放流量，取17.47 m3/min；V為流速，取15 m/min。

通過計算確定工作面應鋪設一趟大于Ф157 mm 管路能夠滿足采空區抽放需要，實際鋪設一趟Ф400 mm 管路。

（4）采空區抽放管路阻力的計算

① 沿程阻力計算公式：

H1=9.81·Q2·L·γ/（K·D5）

H1=9.81×（17.74×60）2×940

×0.822/（0.71×405）=118.1Pa

式中：H1為摩擦阻力，Pa；L為管路長度，取940 m；γ為氣體瓦斯相對密度，0.822 g/cm3；K為系數，取0.71；Q為瓦斯流量，m3/h；D為抽放管路內徑，cm。

② 局部阻力計算

局部阻力取沿程阻力15%，即H2=17.72 Pa。

③ 高位鉆場管路總阻力計算

H總=H1+H2=135.82 Pa=0.135 82 kPa

因此要求011206 工作面高位及采空區抽放時負壓必須大于0.135 82 kPa，能夠滿足抽放的需要。

3.3 011206 工作面瓦斯抽采系統

（1）瓦斯抽采泵布置

回采工作面利用地面抽放系統，由2BEC-72 型水環真空泵抽放本煤層預抽鉆孔、鄰近層下覆10#煤層預抽鉆孔，流量505 m3/min，抽采負壓0.34 MPa，電機功率630 kW；由2BEC-67 型水環真空泵抽放采空區，流量385 m3/min，電機功率450 kW。

（2）瓦斯抽采管路布置

工作面本煤層預抽鉆孔采用2BEC-72 型水環真空泵，使用Ф400 mm 管路連接本煤層預抽。

（3）011206 工作面采空區抽放

采空區抽放采用地面2BEC-67 型抽放泵，在011206 回風巷安裝Ф400 mm 管路連接采空區抽放。

（4）瓦斯抽放管路敷設

本煤層預抽鉆孔：地面瓦斯抽放泵站Ф600 mm →十二層回風斜井Ф600 mm →十二層總回Ф450 mm →十二層回風上山Ф450 mm →011206運輸巷、回風巷Ф300 mm。

采空區抽放：地面瓦斯抽放泵站Ф450 mm →十二層回風斜井Ф450 mm →十二層總回Ф450 mm →十二層回風上山Ф450 mm →回風巷Ф400 mm。

4 瓦斯抽采效果分析

進行實時監測，記錄定向長鉆孔和之前普通鉆孔的瓦斯抽采數據，瓦斯純量對比圖如圖4 所示。

由圖4 和圖5 可知，初期定向長鉆孔瓦斯純量比普通高位鉆孔增加得慢。在工作面回采時，鉆孔的瓦斯抽采率在20%以上，推進400～405 m 時，抽采率小于20%。原因是鉆孔的終孔高度降低，導致高位鉆孔抽采采空區的瓦斯量逐漸減弱。推進至360 m 時，瓦斯抽采率達到最大值52.3%，平均瓦斯抽采率為31.2%。

圖4 瓦斯抽采純量對比

圖5 瓦斯抽采率變化曲線

由圖6 可知，上隅角及回風巷內的瓦斯濃度出現明顯的降低趨勢；回采期間工作面各區域的瓦斯濃度均處于合理范圍內，其中上隅角的瓦斯濃度始終穩定在0.1%～0.5%，處于合理范圍之內。

圖6 瓦斯抽采率變化曲線

5 結論

（1）回采期間011206 工作面的絕對瓦斯涌出量為16.67 m3/min，僅靠通風方式無法解決，需采取措施進行治理。

（2）根據實際情況，選定定向長鉆孔技術并結合本層的傾向鉆孔對本煤層瓦斯進行邊抽邊采，采用高位鉆孔以及“埋管”的方式對采空區瓦斯進行治理。

（3）上隅角及回風巷內的瓦斯濃度出現明顯的降低趨勢；回采期間工作面各區域的瓦斯濃度穩定在0.1%～0.5%，處于合理范圍之內，平均瓦斯抽采率為31.2%。