特厚煤層大傾角高瓦斯礦井瓦斯災害治理技術的優化及應用

王 寧

(兗礦新疆礦業有限公司硫磺溝煤礦，新疆 昌吉 831100)

某煤礦原采煤工作面瓦斯治理模式為煤層預抽配合回風隅角埋管抽放采空區瓦斯，地面配套的瓦斯抽放系統為4臺2BEC-60型水環式真空泵，最大吸氣量294 m3/min。根據測定統計與計算，(4-5)06綜放工作面和(9-15)08綜放工作面各類參數對比如表1：

表1 (4-5)06綜放工作面和(9-15)08綜放工作面各類參數Tab.1 Various parameters of (4-5)06 and (9-15)08 fully mechanized caving faces

考慮(9-15)08綜放工作面為特厚煤層、工作面內瓦斯含量高，各類參數特殊，且原瓦斯抽采技術和配套的瓦斯抽放系統僅能滿足開采4-5煤層，開采9-15煤層時，瓦斯超限風險可能性較高，需對(9-15)08工作面瓦斯治理進行優化。

1 瓦斯涌出量分源計算

采落煤炭瓦斯涌出量為Q1，Q1=K1·Kh1·Kp1(W0-Wc)。式中：Q1為采落煤相對瓦斯涌出量，m3/t；K1為工作面丟煤瓦斯涌出系數，值為機采回采率的倒數；Kh1為采厚因子，取采煤厚度與本煤層總厚度的比值；Kp1為煤體殘余碎脹系數；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wc為煤層殘存瓦斯含量，m3/t。

放落煤炭瓦斯涌出量Q2，Q21=K2·Kh2·Kp2(W0-Wc)sinα。式中：Q2為放落煤相對瓦斯涌出量，m3/t；K2為工作面丟煤瓦斯涌出系數，值為放落煤回采率的倒數；Kh2為采厚因子，取采煤厚度與本煤層總厚度的比值；Kp2為放落煤體殘余碎脹系數；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wc為煤層殘存瓦斯含量，m3/t；α為冒落角，取80°。

采空區殘煤瓦斯涌出量Q4，Q4=(1-k回)·(W0-Wc)。式中：Q4為采空區殘煤相對瓦斯涌出量，m3/t；K回為平均回采率；W0為煤層原始瓦斯含量，m3/t。

(9-15)08工作面瓦斯涌出量預測結果：按上述本煤層及鄰近層瓦斯涌出預測，得(9-15)08工作面絕對瓦斯涌出量為：Q=A傾斜Q本(傾斜)+A水平Q本(水平)+(A傾斜+A水平)Q鄰。通過計算得出(9-15)08工作面煤層相對瓦斯涌出量為Q=8.89 m3/t。

2 成果內容

地面瓦斯泵房改擴建工程：2020年，瓦斯泵房改擴建工程在原基礎上增加了2臺2BEC-72型水環式真空泵，并于2020年7月份陸續投入使用。目前，地面瓦斯泵站安裝有4臺2BEC-60型水環式真空泵，最大吸氣量294 m3/min，一用三備；2臺2BEC-72型水環式真空泵，最大吸氣量567 m3/min，一用一備。

首次采用煤層預抽及高位走向長鉆孔[1]抽放瓦斯為主、回風隅角[2]埋設管路抽放采空區瓦斯為輔的方式進行瓦斯綜合治理。根據(9-15)08綜放面綜合柱狀圖，9-15煤層與7煤之間為12.10 m厚的粉砂巖，為保證長鉆孔成孔效果，將定向長鉆孔布置在粉砂巖中。根據(9-15)08工作面軌順巷道實際施工情況，利用定向長鉆孔代替高抽巷抽采卸壓瓦斯，需要布置2個鉆場，鉆孔中氣體流速分別為12 m/s、15 m/s，孔徑為φ98 mm，封孔管采用φ108 mm的PE管或鋼管。為進一步提高定向長鉆孔利用率及覆蓋面積，鉆場間距為350 m，鉆孔深度為350 m。定向長鉆孔終孔分布區域如圖1所示，終孔分布區域距離軌道順槽巷道中心線25 m，距離回風巷道底板26 m以上，區域內終孔位置均勻分布。

圖1 定向長鉆孔平面示意圖Fig.1 Plan diagram of directional long borehole

圖2 預抽鉆孔剖面示意圖Fig.2 Diagrammatic cross-section of drainage borehole

瓦斯治理工程量：礦井于2021年4月11日停產，4月18日(9-15)08工作面封閉停止抽放，至2021年11月13日恢復工作面生產，2021年礦井累計瓦斯抽放總量約為313萬m3。工作面累計施工完成鉆場17個，所有鉆場內瓦斯抽放鉆孔均施工完成，共計施工Φ120 mm、Φ133 mm瓦斯鉆孔各施工長度6 720 m，施工“一氮多用”鉆孔12個，進尺450 m，合計鉆孔施工總長度13 890 m，鉆孔下套管長度7 170 m。定向鉆孔工程量：在軌道順槽以1 m為間距、皮帶順槽2 m為步距，施工本煤層瓦斯預抽鉆孔，軌道順槽施工瓦斯預抽鉆孔625個，皮帶順槽施工瓦斯預抽鉆孔650個，中部聯絡巷施工卸壓預抽鉆孔52個，地面瓦斯抽放泵站現運行3#瓦斯抽放泵用于(9-15)08軌道順槽、皮帶順槽瓦斯預抽鉆孔瓦斯抽放，日預抽瓦斯量6 000 m3以上。

在上隅角[3-4]埋設兩趟φ219 mm的鋼管，每趟埋管末端設φ194 mm的立管，管壁上部均勻切割圈孔且用紗網包裹，立管間距為12 m，當預埋管路進入采空區12 m時開始瓦斯抽放，進入采空區24 m時斷開，兩趟埋管依次不斷向前延接。

優化高位鉆場鉆孔布置：與高校合作開展高位走向長鉆孔日常監測、分析工作，根據監測分析結果進行鉆孔設計優化，結合(4-5)06工作面瓦斯治理經驗，將(9-15)08工作面高位鉆場瓦斯抽放鉆孔數量由10個優化至17個。

高位鉆場相對(9-15)08工作面軌道順槽抬高3 m，鉆場間距65 m，搭接長度35 m。上下兩排布置，距鉆場底板高度分別為1 m、1.5 m，第一排鉆孔距離鉆場邊緣0.2 m，其余孔間距0.6 m。鉆場內布置鉆孔12個，鉆孔控制范圍為工作面頂板以上3～9 m，上隅角向工作面方向20 m范圍，待對鉆孔抽采效果進行觀測后，再行優化。

圖3 高位鉆場剖面布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the profile layout of the high drilling field

圖4 高位走向長鉆孔平面布置圖Fig.4 Plan layout of high strike long drilling holes

表2 高位鉆場鉆孔施工設計參數Tab.2 Drilling design parameters of high level drilling field

3 效果評價

地面瓦斯抽放泵站運行6#瓦斯抽放泵用于(9-15)08軌道順槽高位鉆場及定向鉆場鉆孔瓦斯抽放，日瓦斯抽放量在24 000 m3以上。礦井日平均瓦斯抽放總量約30 000 m3，工作面生產期間上隅角瓦斯濃度穩定在0.6%以下，回風流瓦斯濃度穩定在0.5%以下，杜絕了瓦斯超限。

工作面生產至今，累計推進約770 m。目前，(9-15)08皮帶順槽瓦斯預抽鉆孔平均瓦斯抽放濃度15.45%，抽放流量34.26 m3/min左右，周抽放純量53 355 m3；軌道順槽預抽鉆孔平均抽放濃度13.79%，抽放流量11.2 m3/min左右，周抽放純量15 591 m3。軌順高位鉆場走向長鉆孔、定向長鉆孔和平均抽放濃度12.56%，抽放流量117 m3/min左右，周抽放純量162 647 m3。

經過對(9-15)08綜放工作面瓦斯抽放工作的持續跟蹤和統計證明，采用煤層預抽、高位走向長鉆孔抽放瓦斯為主、回風隅角預埋管路抽放采空區瓦斯為輔的綜合治理技術[5]，完全符合該礦目前的生產條件，能夠實現安全生產。

4 結語

(9-15)08工作面回采期間以煤層預抽及高位走向長鉆孔抽放瓦斯為主、回風隅角埋管抽放采空區瓦斯為輔的綜合方式，在9-15號煤層布置順層預抽鉆孔，在煤層內布置高位鉆孔，可有效提高鉆孔利用率。采空區內埋設抽放管路，采用邁步交替方式倒換抽放。

受工作面周期來壓及多煤層復合采空區壓力顯現等因素的影響，高位走向長鉆孔在施工過程中出現壓鉆桿、塌孔等現象，鉆孔施工困難，進度慢，還需引進大功率定向鉆機提高鉆孔施工速度和成空率。持續跟蹤(9-15)08綜放工作面瓦斯抽放工作，優化鉆孔參數，提高瓦斯治理水平。