中保護層采煤工作面綜合瓦斯治理技術應用

陳 華

（貴州盤江煤電集團有限責任公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

目前被廣泛接受的最好的區域防突措施為開采保護層[1]。在開采保護層后，被保護的煤層瓦斯將得到大量卸壓[2-4]，而卸壓釋放的瓦斯又將通過經由裂隙大量涌入保護層工作面及其采空區，導致保護層采煤工作面的瓦斯治理困難，尤其是中保護層的采煤工作面瓦斯涌出量極大[3]，而且工作面上隅角的瓦斯濃度超限情況尤為嚴峻，使煤礦安全及高效生產受到了嚴重的制約。大灣煤礦在長期的生產實踐過程中，積極探索煤礦綜合機械化采煤工作面的瓦斯治理新技術，并總結了國內開采保護層工作的瓦斯治理經驗[5]，已逐步形成以“全孔段下大直徑篩管鉆孔預抽+回風側高位裂隙鉆孔抽采上鄰近層瓦斯+底板瓦斯巷穿層鉆孔攔截抽采下鄰近層瓦斯+上隅角高位窩埋管抽采采空區瓦斯”為核心的現代化大型立體式瓦斯治理體系。該技術已成功地在X10902 工作面中使用，瓦斯抽采率已達到了90 %，且回采中從未發生過瓦斯超限事故，瓦斯防治成效顯著，有效提高了煤礦的安全生產條件，對類似工作面瓦斯防治技術有著較強的參考意義。

1 礦井概況

大灣煤礦西井位于水城礦區西北端，斜井開拓，設計生產能力為90 萬t/a，服務年限29 a，于2007年開工建設，2012 年建成投產。大灣煤礦西井區域內主采 2、9、11 號煤層。2011 年 4 月重慶煤科院對大灣煤礦西井區域內9 號煤層進行的突出危險評估及基本參數測定結論為：9 號煤層具有突出危險性，瓦斯壓力P 為3.38 MPa、瓦斯含量Q為11.51 m3/t。X10902 工作面布置于9 號煤層，為大灣煤礦西井東翼首采工作面，上覆有 8、7、6、5、4、3、2 號煤層，下伏有 11、12、13、14、15 號煤層均未開采。

X10902 工作面為走向長壁后退式綜采工藝，頂板處理為全部垮落法。工作面走向長度為668 m、傾斜長度200 m，為緩傾斜煤層，平均傾角為5°,平均煤厚為2.8 m，設計采高為2.8 m，設計回采率為97%，計劃日采煤量2 000 t。

2 瓦斯涌出量預測以及瓦斯抽采需求分析

2.1 各煤層瓦斯含量情況

由于大灣煤礦西井X10902 綜采工作面為中保護層工作面，在回采期間上、下鄰近煤層瓦斯均涌入到該工作面采掘活動空間，根據《大灣煤礦西井瓦斯地質報告》及現場測定：大灣煤礦西井 2、3、4、5、7、8、9、11、12 號煤層瓦斯含量依次為 14.17、6.9、10.18、6.9、12.9、11.9、11.51、13.8、10.2 m3/t。

2.2 工作面相對瓦斯涌出量計算

X10902 工作面為綜采工作面，其工作面瓦斯涌出根據《礦井瓦斯涌出量預測方法》（AQ1018-2006）中分源預測法進行預測，工作面瓦斯涌出量為開采層與鄰近層瓦斯涌出量之和。

1）開采層相對瓦斯涌出量計算。根據公式q1=k1×k2×k3×（m/M）×（Wo-Wc），將 9 號煤層相關參數代入計算得出9 號煤層的相對瓦斯涌出量為8.82 m3/t。

2）鄰近層相對瓦斯涌出量計算。根據公式q2=（Wo-Wc）×（m/M）×η，將各煤層的相關參數分別代入計算，得出：9 號煤層上鄰近的 2、3、4、5、7、8 號煤層的相對瓦斯涌出量分別為3.48、1.25、1.95、0.91、2.76、11.33 m3/t，上鄰近層瓦斯涌出量合計21.68 m3/t；9 號煤層下鄰近的 11、12 號煤層的相對瓦斯涌出量分別為12.15、0.56 m3/t，下鄰近層瓦斯涌出合計12.71 m3/t；鄰近層瓦斯涌出總量為34.39 m3/t。

2.3 工作面瓦斯涌出量預測及分析

經計算，X10902 綜采工作面相對瓦斯涌出量為43.21 m3/t，若按日產原煤2 000 t 計算，其絕對瓦斯涌出量約為60 m3/min；按照各部分瓦斯涌出占總瓦斯涌出的比例，開采層、上鄰近層、下鄰近層的瓦斯涌出量占比依次為20.41 %、50.17 %、29.42 %，該工作面瓦斯涌出主要來源于鄰近層瓦斯涌出，占比高達80 %左右，回采過程中上、下鄰近層瓦斯受到采動影響，大量瓦斯會涌入采掘活動空間，鄰近煤層中8、11 號瓦斯含量較高且距離9 號煤層較近，其瓦斯涌出量占鄰近層的69.32%，是鄰近層瓦斯治理的重點；另外，開采層瓦斯涌出雖然占比較小但總量仍較高，絕對瓦斯涌出量約為12 m3/min，為了減少回采過程中落煤及煤壁的瓦斯涌出，降低回風流瓦斯濃度，有必要強化預抽措施針對性長效治理。

2.4 工作面瓦斯抽采需求分析

工作面的絕對瓦斯涌出量約為60 m3/min，根據國家相關規范規定[15]，如采煤工作面的瓦斯涌出量大部分來源于鄰近煤層或者圍巖（40 m3/min≤Q＜70 m3/min），其瓦斯抽采率不得低于50 %，經計算該工作面瓦斯抽采規模需大于30 m3/min。

但根據該工作面通風系統能力，工作面正常推采時風量在1 000 m3/min，按回風流瓦斯濃度0.6%，考慮瓦斯涌出不均衡性，一般風排瓦斯能力在6 m3/min 左右，反算得到工作面瓦斯抽采規模需達到54 m3/min，即抽采率需達到90%以上。

3 綜合瓦斯治理技術方案設計

3.1 建立可靠的通風系統

大灣煤礦西井采用中央并列抽出式通風，新風從主斜井和副斜井進入，污風由回風斜井抽出。回風斜井工業場地安裝2 臺FBCDZ-8№29 型軸流式主要通風機，配套2 臺YBF630S1-8 型電機，功率為2×500 kW；1 臺正常工作，另外1 臺備用，主扇額定風量 6 600～14 700 m3/min，風壓 1.3～4.5 kPa。首采X10902 綜采工作面采用“U”型通風。根據《煤礦安全規程》等規定，對采面所需風量加以計算，工作面需配風量800 m3/min，針對其在回采時期本煤層及鄰近煤層瓦斯涌出量較大的問題，設計風量富裕系數為1.25，計算得出X10902 綜采工作面在正常開采時的需風量為1 000 m3/min。

3.2 建立能力強的抽放系統

大灣煤礦西井安裝有高、低負壓抽放系統2 套。高、低負壓抽放系統分別安裝2 臺2BEC-62 型（最大壓力 16 kPa）、2BEC-67 型瓦斯抽放泵，1 臺正常工作，另外1 臺備用，電機功率均為400 kW，最大吸氣量分別為300 m3/min 和300.3 m3/min，分別配套直徑為630、720 mm 的主管路，末端管徑分別為300、500 mm。

3.3 瓦斯立體抽采方案設計

通過對大灣煤礦西井X10902 工作面的瓦斯涌出量進行分析，并根據采掘巷道的層位關系，選擇了本煤層順層鉆孔抽采、底板瓦斯治理巷穿層鉆孔卸壓抽采、高位走向鉆孔抽采、隅角埋管抽采等綜合瓦斯治理技術。

3.3.1 本煤層順層鉆孔抽采

本煤層瓦斯抽采鉆孔的主要原理有3 個方面：①瓦斯抽采能夠大大降低突出危險煤層或高瓦斯煤層的瓦斯含量和瓦斯壓力，從而釋放煤體中的瓦斯潛力；②隨著瓦斯釋放使煤體收縮并變形，煤體所受到的應力逐漸減小、煤體的透氣性增加，進而使煤體彈性勢能得到釋放；③煤中瓦斯的釋放也會提高煤的機械強度和穩定性，進而增大煤與瓦斯突出的阻力，降低或消除了煤與瓦斯突出危險性，起到了防突的作用[7，17]。

預抽煤層瓦斯的布孔方式主要有穿層孔和順層孔2 種。大灣煤礦西井選擇本煤層順層鉆孔預抽煤層瓦斯以控制本煤層瓦斯涌出量，鉆孔抽放半徑2 m，開孔高度1.4 m，控制了全煤層厚；利用運輸順槽與回風順槽，分別隨煤層傾向“上下對打”的形式施工本煤層順層鉆孔，其中運輸順槽施工的上向順層鉆孔孔深為120 m，而回風順槽施工的下向順層鉆孔孔深為90 m。所有鉆孔的孔徑均為94 mm，孔內全程埋設直徑50 mm 的PVC 篩管，孔口15 m 套用直徑50 mm 的PVC 套管采用“兩堵一注”帶壓封孔工藝封孔。單孔瓦斯濃度一般在50 %左右，最高濃度可達85%左右。鉆孔相關參數見表1。

表1 本煤層順層抽采鉆孔參數表

通過對大灣煤礦西井X10902 綜采工作面本煤層順層鉆孔抽放瓦斯的實踐，最后施工的鉆孔的預抽時間將達到40 d，可使工作面本煤層瓦斯的抽采率達到60%以上，消除了工作面的煤與瓦斯突出危險性，變突出危險工作面為無突出危險工作面，為工作面產能高效發揮提供實現基礎。

3.3.2 高位鉆場抽采裂隙帶瓦斯

煤層開采后，由于開采的影響，圍巖地層自下而上的位移使地應力重新分布，工作面煤壁在壓力作用下發生拉伸、剪切破壞，并產生垂直裂隙，降低煤層的原始瓦斯壓力，吸附瓦斯解吸成為游離瓦斯，然后從頂板裂隙、煤壁裂隙進入采空區；因此，通過向采空區裂隙帶施工高位鉆孔，一方面可以截斷上鄰近層瓦斯向工作面涌出的途徑，另外還能推動采空區下部瓦斯改變運動方向，從而降低向采空區的涌出[6，18]。

沿工作面回風巷每隔60～80 m 左右頂板穩定、巖性好、易封孔的地方布置一個高位鉆場。在每個鉆場中，沿煤層走向向采煤工作面方向布置并施工12～14 個抽采鉆孔，終孔點均位于煤層頂板上方15～20 m 的裂隙帶內，以防止上部鄰近層瓦斯涌入采空區，鉆孔控制到X10902 回風巷輪廓線至工作面50 m 范圍，孔深80 m 左右，鉆孔連接高負壓系統抽采采空區的瓦斯。高位鉆場抽采瓦斯示意圖詳見圖1— 圖 3。

圖1 高位鉆場及鉆孔布置平面示意圖

圖2 高位鉆場及孔布置剖面示意圖

圖3 高位鉆場及鉆孔開孔示意圖

3.3.3 底板瓦斯治理巷抽采下鄰近層瓦斯

由于9 號煤層距下部的11 號煤層僅15 m，因此，11 號煤層的瓦斯在X10902 工作面回采期間受采動影響必然有大量涌入采空區，稍有不慎將造成瓦斯超限。為了減少工作面回采期間下鄰近層瓦斯涌入工作面及采空區，在X104 底板瓦斯巷每隔10 m 施工1 組穿層預抽鉆孔抽采工作面下部區域鄰近11 號煤層瓦斯，每組鉆孔布置5 個，鉆孔終孔于11號煤層，終孔間距12 m；在X102 底板瓦斯巷每隔10 m 施工1 組穿層預抽鉆孔抽采工作面上部區域鄰近11 號煤層瓦斯，每組鉆孔布置3 個，鉆孔終孔于11 號煤層，終孔間距12 m。鉆孔布置詳見圖4。

圖4 底板瓦斯治理巷穿層鉆孔布置示意圖

3.3.4 上隅角埋管抽采采空區瓦斯

采空區埋設管路抽采瓦斯是解決工作面上隅角瓦斯超限和回風問題的主要措施之一。采空區埋設管路抽采瓦斯濃度通常在5%～20 %之間，對采空區的管理決定了抽采濃度的高低，因此，提高抽采濃度、效果的有效措施就是減少向采空區漏風[19-20]。

在X10902 回風巷安裝一趟φ529 mm 的瓦斯管路進行低負壓抽采，X10902 回風巷掘進期間在上幫每隔40 m 施工1 個高位窩，高位窩距X10902 回風巷頂板高3 m，加上巷道高度可超過5 m，高位窩頂部采用錨網、錨桿支護。

在開采期間，在高位窩中安裝呈“十”字型的蜂窩管，蜂窩管由4 根1 m 長的短接組成，短接末端用紗網和紗布包裹，防止細小的煤矸石和雜物進入主管道。蜂窩管支管與低負壓主管路通過閘閥控制，當高位窩進入采空區的擋墻后，打開低負壓主管路上的閘閥，投入對采空區瓦斯的抽放，如圖5 所示。

圖5 埋管抽采蜂窩管安裝示意圖

4 應用效果

通過采用綜合瓦斯治理技術，有效利用瓦斯抽放泵抽放能力，提高瓦斯抽放濃度，提高了瓦斯抽放效果。工作面回采期間，原煤的日平均產量高達2 500 t，低負壓瓦斯抽放站瓦斯抽放濃度約為15 %，抽放混合量約為180 m3/min 左右，瓦斯抽放純量約為27 m3/min；高負壓瓦斯抽放站瓦斯抽放濃度約為25%，抽放混合量為120 m3/min 左右，抽放純量約為30 m3/min；風排瓦斯量低于5 m3/min，工作面瓦斯抽采率超過90 %，從而徹底消除了工作面瓦斯超限現象，有利促進產能的充分釋放。

5 總 結

通過在大灣煤礦X10902 工作面進行綜合瓦斯治理技術應用，可得出以下幾點經驗：

1）采用技術后，礦井通風壓力降低，通風條件得到改善，采煤工作面作業環境得到改善。在回采過程中，有效控制了工作面回風流的瓦斯濃度不超過0.5 %，從而消除了上隅角瓦斯超限現象，確保了工作面的穩產和高產。

2）對采煤工作面的瓦斯治理效果顯著，提高了工作面瓦斯抽放率，減少了采空區瓦斯向工作面活動空間的涌出，同時解決了瓦斯超限問題，消除了瓦斯對工作面安全生產的威脅，目前已安全回采煤量35 萬t，礦企經濟效益十分可觀。

3）綜合瓦斯治理技術必須立足于采掘布局，因地制宜，充分利用巷道層位關系，在工作面布置本煤層順層抽放鉆孔，對本煤層瓦斯進行采前預抽；在回采過程中，通過布置高位鉆場實施高位鉆孔抽采上鄰近層及裂隙帶的瓦斯，以防止其涌入采空區；利用底板瓦斯治理巷布置鉆孔對下鄰近層進行瓦斯抽放，在采動期間和采動之后通過埋設管路抽取采空區瓦斯，減少瓦斯涌出，保障安全生產。