下霍煤礦2308綜放工作面瓦斯治理技術的應用

李 恒

（山西三元煤業股份有限公司下霍煤礦，山西 長治 046000）

我國煤與瓦斯突出事故約占煤礦事故總數的62%[1-3]。受地質構造影響，我國各大礦區地質條件存在較大差異，導致礦井瓦斯賦存、聚集情況大不相同。科學準確地對瓦斯來源及瓦斯涌出量進行分析和預測，是制定針對性瓦斯治理措施和確保瓦斯治理效果的關鍵因素[4]。李景潤等通過對上隅角瓦斯聚集原因的分析，采用上插管抽采技術有效治理了文家坡煤礦4105綜放工作面上隅角瓦斯聚集問題[5]。任彥文等基于對回采面瓦斯涌出源和上隅角瓦斯來源的分析，采用頂板高位鉆孔和埋管抽采對鎮城底礦22618工作面瓦斯進行治理，取得了較好效果[6]。王磊基于對工作面瓦斯涌出特征的分析，提出了抽采巷穿層鉆孔和埋管抽采的瓦斯綜合治理措施，有效降低了上隅角瓦斯體積分數[7]。上述研究成果為回采工作面瓦斯治理提供了一定的借鑒和參考，但不同礦區瓦斯賦存特征各有不同，瓦斯治理需根據礦井實際條件進行調整。以山西三元煤業股份有限公司下霍煤礦（簡稱“下霍煤礦”）2308綜放工作面為研究對象，對工作面回采期間瓦斯來源進行分析，提出采用“裂隙帶高位鉆孔抽采+上隅角埋管抽采”瓦斯綜合治理措施對下霍煤礦2308綜放工作面回風流瓦斯體積分數高及上隅角瓦斯聚集問題進行治理，為煤礦安全高效生產提供了保障。

1 工程概況

下霍煤礦現開采3#煤層，開采標高為+720～+390 m，生產規模為240 萬t/a。礦井采用分區式通風方式，機械抽出式通風方法。3#煤層厚度3.68～6.75 m，平均厚度5.21 m。2308 綜放工作面位于3#煤層二采區，東為2306工作面采空區，東南為2307工作面采空區，北鄰三采區3301工作面。2308工作面煤層平均厚度5.0 m，傾角0～12°，工作面沿煤層走向布置，工作面切眼長204.8 m，工作面回采長度646 m。3#煤層百米鉆孔初始瓦斯流量為0.067 5 m3/（min·hm），透氣性系數為0.288 m2/（MPa2· d），瓦斯流量衰減系數為0.040 1 d-1，2308 工作面采用U 型通風方式，未布置高抽巷及尾巷。

2308 工作面直接頂為泥巖、砂質泥巖，平均厚度2.97 m；基本頂為各種粒度砂巖，平均厚度5.86 m；老頂為砂質泥巖、粉砂巖，平均厚度為11.72 m；直接底為泥巖、砂質泥巖，平均厚度0.70 m；老底為細粒砂巖、粉砂巖，平均厚度為3.36 m。2308 工作面煤層及其頂底板基本情況見表1。

表1 2308工作面頂底板基本情況頂底板

2308工作面割煤高度2.8 m，放煤高度2.2 m，采放比1.22∶1。受綜放開采割煤高度的影響，工作面放頂煤期間，頂煤的快速垮落導致煤巖體內部大量瓦斯等有毒有害氣體涌出，造成工作面回風流瓦斯體積分數超限及上隅角瓦斯聚集，嚴重制約了工作面回采安全。

2 工作面瓦斯涌出量分析

在對綜放放頂煤工作面瓦斯涌出量預測時通常采用相對瓦斯涌出量qc進行表達，主要由四部分組成：割煤瓦斯涌出量q1、放頂煤瓦斯涌出量q2、采空區瓦斯涌出量q3及鄰近層瓦斯涌出量q4[3]。因此，以24 h為一個預測單元，回采工作面相對瓦斯涌出量可通過式（1）進行計算：

2.1 割煤相對瓦斯涌出量

割煤相對瓦斯涌出量可通過式（2）進行計算[8]：

式中，K1為圍巖瓦斯涌出系數，取1.3；K2為采區內準備巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數；L為工作面長度，取204.8 m；h為掘進巷道預排等值寬度，取15.4 m，得K2=0.85；Kfi為分層開采第i 分層瓦斯涌出影響系數，取決于煤層分層數量和順序，若無分層開采該值取1，2308工作面無分層開采，Kfi=1；m1為割煤高度，取2.8 m；M為開采煤層厚度，取5.0 m；W0為回采前煤體瓦斯含量，取4.90 m3/t；Wc為運出礦井后煤的殘存瓦斯含量，取2.43 m3/t。將上述數據代入式（2）計算可得2308工作面割煤相對瓦斯涌出量q1=1.53 m3/t。

2.2 放頂煤相對瓦斯涌出量

放頂煤相對瓦斯涌出量可通過式（4）進行計算[8]：

式中，K3為放落煤體破碎度對放頂煤瓦斯涌出影響系數，取0.9；m2為放頂煤高度，取2.2 m。將上述數據代入式（4）可得放頂煤相對瓦斯涌出量q2=1.08 m3/t。

2.3 采空區相對瓦斯涌出量

采空區相對瓦斯涌出量可通過式（5）和（6）進行計算[5]：

式中，K4為留煤瓦斯涌出不均衡系數，取1.5；K5為綜放工作面平均回采率，Kj為機采回采率，取0.95；Kf為放頂煤回采率，取0.90，將上述數據代入式（5）計算可得采空區相對瓦斯涌出量q3=0.27 m3/t。

2.4 鄰近層相對瓦斯涌出量

鄰近層相對瓦斯涌出量可通過式（7）和（8）進行計算[5]：

式中，mi為第i個鄰近層煤層厚度，m；M為工作面采高，m；Woi為第i個鄰近層煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wci為第i鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3/t；ηi為鄰近層瓦斯排放率，%；hi為第i個鄰近層與開采層垂直距離，m；根據下霍煤礦生產實際，上述各計算參數取值及2308工作面鄰近層相對瓦斯涌出量計算結果見表2。

表2 開采層影響范圍內鄰近層瓦斯涌出量計算表

根據上述計算結果可知，2308工作面割煤瓦斯涌出q1=1.53 m3/t，放頂煤瓦斯涌出量q2=1.08 m3/t，采空區瓦斯涌出量q3=0.27 m3/t，鄰近層瓦斯涌出量q4=0.25 m3/t，則根據式（1）計算可得2308 工作面日產量6 979 t 時，相對瓦斯涌出量qc=1.53 m3/t+1.08 m3/t+0.27 m3/t+0.25 m3/t=3.13 m3/t，絕對瓦斯涌出量為15.17 m3/min。

3 瓦斯治理方案設計

通過分析2308工作面瓦斯涌出源及涌出量可知，割煤瓦斯相對涌出量為1.53 m3/t，占工作面瓦斯總涌出量的48.88%；放頂煤瓦斯涌出量為1.08 m3/t，占工作面瓦斯總涌出量的34.50%。可見，割煤和放頂煤是2308工作面瓦斯涌出的主要來源，這也是導致工作面回風流瓦斯體積分數超限和上隅角瓦斯聚集的主要原因。基于上述分析結果，設計采用“頂板高位鉆孔抽采為主、上隅角埋管抽采為輔”的工作面瓦斯綜合治理措施。

3.1 頂板高位鉆孔瓦斯抽采

為解決開采煤層瓦斯涌出問題，在2308工作面回風順槽內每隔50 m施工一個頂板裂隙帶鉆場硐室，尺寸為3 m×2.4 m×3 m（寬×高×深），每個鉆場內布置5個鉆孔，孔間距為800 mm，鉆孔呈扇形布置，開孔位置距巷幫1 200 mm，孔徑110 mm，孔深60 m。頂板高位鉆孔布置如圖1所示。

圖1 頂板高位鉆孔布置圖

3.2 上隅角插管抽采

針對2308工作面上隅角瓦斯積聚問題，設計采用上隅角采空區插管抽采的方法進行針對性治理。插管選用直徑220 mm 的鐵花管，插入工作面上隅角位置，且保證插管深度不小于2 m，并采用沙袋和黃泥對上隅角進行封堵，以弧形與巷道頂板和巷幫嚴密結合。此外，需確保煤袋墻位置與工作面支架頂梁尾部對齊，煤袋墻長度需由上隅角位置一直延伸至工作面支架位置。為確保上隅角瓦斯抽采效果及可控性，在上隅角瓦斯抽采管路處需安設閥門、濾網、孔板及排渣三通等設施。上隅角瓦斯抽采管路與工作面主抽采管路連接，并通過井下固定瓦斯抽采泵進行抽采。2308工作面上隅角插管抽采布置如圖2所示。

圖2 上隅角插管抽采布置圖

4 工作面瓦斯治理效果評價

為掌握采用頂板高位鉆孔抽采為主、上隅角埋管抽采為輔的瓦斯綜合治理措施對2308 工作面瓦斯治理效果，對工作面回采期間回風流及上隅角瓦斯體積分數進行監測，監測結果如圖3所示。

圖3 上隅角及回風流瓦斯體積分數變化曲線

由圖3可知，在為期20 d的監測時期內，上隅角及回風流瓦斯體積分數變化曲線總體上呈鋸齒狀特征。究其原因是因為受回采工作面采動影響，圍巖應力平衡狀態被打破，在應力作用下煤巖層內部裂隙不斷擴展和發育，為瓦斯運移提供了通道。此外，工作面每次割煤及放頂煤期間，上隅角及回風流中瓦斯體積分數都會出現劇烈增大現象。工作面回采期間，上隅角及回風流中瓦斯體積分數最大值分別為0.68%和0.41%，最小值分別為0.34%和0.24%，平均值分別為0.54%和0.33%。此外，2308 綜放工作面在頂板高位鉆孔抽采期間，抽采主管路抽采流量在28.54～41.06 m3/min，抽采主管路內瓦斯抽采最大體積分數為3.05%，平均瓦斯抽采體積分數為2.18%。由此可見，采用頂板高位鉆孔抽采為主、上隅角埋管抽采為輔的瓦斯綜合治理措施后，2308工作面上隅角及回風流瓦斯體積分數均滿足工作面安全生產的要求，瓦斯治理效果顯著。

5 結語

1）基于下霍煤礦2308綜放工作面生產地質條件，分析指出工作面瓦斯涌出量由割煤瓦斯涌出量、放頂煤瓦斯涌出量、采空區瓦斯涌出量和鄰近層瓦斯涌出量四部分組成，通過對各部分瓦斯涌出量的預測，指出割煤和放頂煤瓦斯涌出量是工作面瓦斯涌出的主要來源。

2）基于2308工作面瓦斯來源分析結果，提出了頂板高位鉆孔抽采為主、上隅角埋管抽采為輔的瓦斯綜合治理措施，并給出了具體布置方案。

3）現場應用結果表明：工作面回采期間，上隅角及回風流中瓦斯體積分數最大值分別為0.68%和0.41%，最小值分別為0.34%和0.24%，平均值分別為0.54%和0.33%。所采用的瓦斯治理措施有效治理了2308工作面回風流瓦斯體積分數超限、上隅角瓦斯聚集的問題，為工作面安全生產提供了保障。