煤礦井下瓦斯綜合抽采工藝技術的應用研究

荊履財

（陽泉煤業集團泊里煤礦有限公司，山西 晉中 032700）

0 引言

泊里煤礦設計生產能力為3.0 Mt/a，3#煤層的回采長度為220 m，最大采高為6.3 m，日進尺約為6.1 m。采用傾斜長壁綜采放頂煤的采煤方法，工作面綜合回采率約為88%。該煤層瓦斯含量為3.59～6.31 m3/t，從東向西依次遞增，整個井田瓦斯含量呈現東低西高的趨勢。根據勘探分析，礦井達產時回采工作面最大瓦斯涌出量為27.31 m3/min；掘進工作面最大瓦斯涌出量為3.42 m3/min；礦井最大相對瓦斯涌出量為8.86 m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為55.91 m3/min。因此可以判斷該礦屬于高瓦斯礦井。

由于井下回采工作面、掘進工作面、采空區的允許通過風量均小于稀釋瓦斯所需風量，因此需要結合煤礦的實際情況，建立適合井下作業安全的高效瓦斯抽采工藝技術。

1 回采工作面瓦斯抽放方法

1.1 回采工作面開采層瓦斯抽放

根據勘探分析，回采面在進行開采時瓦斯的涌出量極大，因此需要對其進行瓦斯抽放。泊里煤礦煤層透氣性系數為0.362 8～1.141 1 m2/（MPa2·d），屬于可以抽放范圍。在對未卸壓開采、綜采卸壓開采及人為卸壓開采方案分析后，決定采用未泄壓開采法。該方案一般包括了順層式開采和穿層式開采兩種，由于順層開采法鉆孔式能夠揭露的煤層面積大，在鉆進時候的效率和成本都優于穿層式開采[1-2]。因此在回采面瓦斯抽采時采用了順層式開采技術，實現邊采邊抽，不但可以確保井下瓦斯抽采的均衡性，而且能夠有效利用綜采面上的超前采動卸壓效應，提升井下瓦斯的抽采效率。

結合井下作業面的實際情況，在回采面順槽鉆孔布置時采用了三維立體交錯布置模式，在一側的鉆孔和順槽按85°角鉆進，在另一側的鉆孔則需要和順槽按75°角鉆進，這兩種鉆孔呈雙排三花立體交叉布置結構，每個鉆孔之間的距離設置為2 500 mm，鉆孔的長度設置為122 m，從而實現對回采面瓦斯的最佳抽采效果。回采面預抽鉆孔布置如圖1 所示。

1.2 回采工作面鄰近層瓦斯抽放

在對井下的3 號煤層進行開采時，會對上側的1～2 號煤層產生擾動，同時也會對下側的5～6 號煤層產生擾動。根據“三帶”機理進行分析，3 號煤層的裂隙帶的厚度為綜采煤層平均厚度的7 倍，因此該煤層的裂隙帶厚度在44.1 m 左右，所以可以判斷，3 號煤層的上下臨近煤層均位于其裂隙帶范圍內。3 號煤層臨近的各煤層和3 號煤層的距離如表1 所示。

表1 3 號煤層與鄰近層垂直距離表

在綜采作業的過程中，上臨近煤層和下臨近煤層在綜采擾動影響下出現卸壓情況，使臨近煤層的透氣性得到了顯著的提升。再加上煤層和各巖層之間的裂隙，使得該區域內不僅可以存儲大量的瓦斯氣體，而且此區域內的瓦斯具有極高的流動性，會不斷地流入到綜采煤層區域[3-4]。因此為了確保作業的安全性，需要對3 號煤層臨近的采區進行瓦斯抽采。

通過對3 號煤層臨近采區的地質勘探及瓦斯賦存情況分析，泊里煤礦回采工作面瓦斯涌出量主要以開采層為主，且鄰近層比例相對較小，因此對鄰近層瓦斯進行抽采時采用了高位鉆孔抽放方案。

高位鉆孔抽采技術主要是沿綜采層走向設置定向鉆孔，從而解決區域內瓦斯超限的一種技術。結合臨近工作面的地質情況，在進行鉆孔布置時，需要沿著回風巷設置一條垂直的平巷作為鉆場，平巷的尺寸為5 000 mm×4 000 mm×3 000 mm，在每個鉆場內設置7 個鉆孔，這些鉆孔呈扇形布置，角度約為5°，從而擴大瓦斯抽采的范圍，保證臨近工作面瓦斯抽采的可靠性。臨近工作面瓦斯抽采布置結構如圖2 所示。

圖2 高位鉆孔抽放鄰近層瓦斯示意圖

采用高位鉆孔抽采的方案，在進行鉆孔和管路鋪設時候不會影響井下巷道正常的通風，而且所有鉆場是設置在綜采面的下側，即使后續抽采系統出現異常，也不會對綜采面的回采產生大的影響，因此能夠更好適應井下高瓦斯抽采的情況。

2 掘進工作面抽采方案

在對掘進工作面進行抽采時，首先從順槽的前方和兩側沿著煤層方向設置定向長鉆孔，先對巷道和煤體兩側的瓦斯進行抽采。待該區域抽采完成后再根據巷道的掘進情況循環設置下一組的抽采孔[5-6]。為了滿足井下掘進工作面高效鉆孔和抽采的需求，在進行鉆場設置時采用了邁步式鉆場布置結構，單側的鉆場距離設置為300 m，兩側的鉆場設置距離為100 m，每個鉆場的尺寸按4 500 mm×3 200 mm×4 000 mm 的結構布置，鉆場完成后開始進行鉆孔施工。

根據每個鉆場的尺寸及瓦斯賦存情況，在每個鉆場內設置6 個抽采鉆孔。在巷道前方鉆孔需要按三列兩排的方式鉆進，在第一排的鉆孔鉆進位置和巷道底板的距離為1 200 mm，第二排的鉆孔和巷道底板的距離為1 700 mm。在第一列的鉆孔和巷幫的距離設置為2 200 mm，第二列的鉆孔和巷幫的距離設置為2 700 mm。

在巷道迎頭位置則設置雙排三花鉆孔，鉆孔間距為500 mm，鉆孔的長度為220 m，能夠實現對巷道外側20 m 范圍內的可靠預抽。掘進面瓦斯抽采布置方案如圖3 所示。

圖3 掘進面瓦斯抽采布置方案圖

3 采空區瓦斯抽放

3 號煤在回采結束后會進行全封閉處理，然后在封閉墻上設置抽放管，使采空區的瓦斯在抽放負壓的影響下進行采空區的瓦斯抽放。為了提高抽放的安全性，抽采時的負壓不能過高[7]。

避免在抽放時由于采空區內負壓過高而導致的漏風情況，根據井下的實際驗證，在抽采時的負壓設置為6 kPa。在采空區抽采時的抽采布置方案如圖4所示。

圖4 采空區瓦斯抽采布置方案圖

4 瓦斯抽放工藝參數

4.1 鉆孔直徑

通常情況下瓦斯抽采時的鉆孔直徑約為80 mm，根據井下高瓦斯的實際情況，為了提高瓦斯的抽采效率，在進行鉆孔設置時采用了大直徑鉆孔抽采方案，所使用的鉆孔直徑為94 mm。

4.2 鉆孔長度

在鉆進時的鉆孔長度需要根據井下的地質情況確定，在該回采面的鉆孔長度設置為122 mm，在掘進面上進行定向長鉆孔時，鉆孔的長度設置為220 mm。

4.3 鉆孔間距

通過井下地質勘探，煤層的透氣性系數為0.92 m2/（MPa2·d），因此在進行孔間距設置時，結合了井下綜采面的長度、掘進速度、地質條件、鉆孔便捷性等，確定了回采面上各個鉆孔之間的距離為2 000 mm，在掘進面上的鉆孔間距設置為500 mm。

4.4 封孔方式及封孔長度

結合井下長期鉆孔的封孔經驗，在封孔時采用馬麗散封孔，封孔時的過孔管采用了具有阻燃、耐腐蝕、抗靜電特性的工程塑料管，整個鉆孔的封孔長度為6 000 mm。

4.5 鉆機選型

采面鉆孔施工選用4 臺ZDY-1900S 全液壓鉆機，掘進面抽采鉆孔施工選用8 臺ZDY-6000S 全液壓鉆機。

4.6 抽放時間的確定

3 號煤作業面采用了交叉鉆孔抽采技術，在工作面上共布置鉆孔1 795 個。煤層的平均原始瓦斯含量6.31 m3/t，在鉆進時的百米瓦斯涌出量最大約為0.004 1 m3/min，由于井下瓦斯流量的衰減和不均衡性，因此所設計的鉆孔瓦斯流量按0.004 m3/min 計算，則預抽瓦斯最短時間按式（1）計算：

式中：T 為預抽瓦斯時間，min；Kz為鉆孔抽放不均衡系數，取1.2；L1為回采工作面采長，取220 m；L2為回采工作面走向長度，平均1 795 m；M 為煤層厚度，平均6.62 m；γ 為煤層容重，1.37 t/m3；W0為煤層原始瓦斯含量，取最大值6.291 m3/t；W1為煤層殘存瓦斯量，3.18 m3/t；η 為工作面瓦斯抽放率，上面計算預抽煤層回采工作面抽放率50%；k 為抽放情況下百米鉆孔初始瓦斯抽放量修正系數，取2.5；n 為回采工作面開采層抽放鉆孔數量，平均1 795 個；L 為回采工作面開采層抽放鉆孔長度，122 m；q 為百米鉆孔自然瓦斯流量，0.003 0 m3/min；

經計算，T=283.48 d。根據計算結果，結合礦井目前實際預抽經驗，設計確定回采工作面預抽瓦斯時間為300 d。目前該瓦斯聯合抽采技術已經在井下平穩運行一年以上，表現出了極高的瓦斯抽采效率，有效提升了井下綜采作業的安全性。

5 結論

根據泊里煤礦井下的實際情況，對回采工作面、掘進工作面、采空區的瓦斯抽采方案進行了研究，確定在回采工作面采用未卸壓抽放技術，在回采工作面鄰近層采用頂高位鉆孔抽放，在掘進工作面采用定向長鉆孔，在采空區采用負壓抽采。對抽采工藝技術參數進行了分析，確定了在井下瓦斯預抽時間為300 d，有效確保了井下瓦斯抽采的安全性，為類似礦井的瓦斯抽采方案制定奠定了基礎。