特厚煤層綜放工作面瓦斯抽采技術

呂蒙蒙，王啟宇

(陜西秦安煤礦安全評價事務有限公司，陜西 西安 710001)

0 引言

瓦斯事故嚴重威脅著井下職工的人身安全，并可導致重大經(jīng)濟損失，因此瓦斯防治是煤礦安全最重要的工作之一。瓦斯抽采是防治瓦斯的重要方法，有效的瓦斯抽采可以降低煤層殘余瓦斯含量，進而降低瓦斯涌出量。抽采方式難度大及不合理也給瓦斯抽采帶來了影響，必須有高效的瓦斯抽采方法才能解決這個問題[1]。許多專家、學者對瓦斯抽采進行了大量的探索，如采用煤層預抽，保護層開采，在工作面打順層鉆孔、高位鉆孔，采空區(qū)埋管，地面壓裂鉆孔抽采礦井瓦斯等方法，在某種程度上增加了瓦斯的抽采率[2-4]。但常規(guī)的瓦斯抽采方法都有一定的局限性，單一方法對瓦斯抽采的效果非常有限，通常達不到煤礦安全生產(chǎn)的要求[5-6]。綜合瓦斯防治技術可有效抽采本煤層、采空區(qū)或者鄰近層的瓦斯，消除瓦斯隱患[7-10]。崔家溝煤礦為高瓦斯礦井，開采煤層為特厚煤層，瓦斯抽采難度大，井下生產(chǎn)始終伴隨著瓦斯隱患的威脅，嚴重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)，因此礦井采用本煤層鉆場扇形鉆孔預抽、上隅角采空區(qū)埋管抽采、回風巷鉆場高位鉆孔抽采及頂板高位大直徑定向長鉆孔瓦斯抽采相結合的方法，以期提高瓦斯抽采率，并為同類煤礦瓦斯防治技術提供參考依據(jù)。

1 工程概況

崔家溝煤礦位于陜西省銅川市耀州區(qū)瑤曲鎮(zhèn)杏樹坪村，井田地處黃隴侏羅紀煤田，井田范圍由32個坐標拐點圈定，批準開采標高+1 414～+790 m；井田東西長8.0 km，南北寬2～6 km，面積28.200 8 km2。本井田含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，區(qū)內(nèi)共含煤4組9層，其中僅1層可采，即4-2煤層，可采厚度0.80～26.17 m，平均厚度8.34 m。

2303綜放工作面位于崔家溝煤礦二水平三盤區(qū)，該工作面傾向長度200 m，走向長度1 670 m，面積338 760 m2，煤層平均可采厚度12 m，采高7.0 m，留1.0 m底煤，煤層容重1.3 t/m3。工作面采用走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤一次采全高、全部垮落法管理頂板的采煤方法。

2 瓦斯涌出量預測及治理措施

2.1 瓦斯涌出量預測

根據(jù)2303綜放工作面布置、煤層及瓦斯賦存情況，采用分源預測法對本工作面進行瓦斯涌出量預測。2303工作面開采層相對瓦斯涌出量4.08 m3/t，鄰近層相對瓦斯涌出量4.90 m3/t，開采層及鄰近層相對瓦斯涌出量總計為8.98 m3/t，回采工作面能力按6 500 t/d計算，則其絕對瓦斯涌出量為40.53 m3/min。2303工作面瓦斯涌出量見表1。

表1 2303工作面瓦斯涌出量預測結果

2.2 瓦斯治理措施

根據(jù)上述瓦斯涌出量預測結果，工作面回采期間采用本煤層鉆場扇形鉆孔預抽、上隅角采空區(qū)埋管抽采、回風巷鉆場高位鉆孔抽采及頂板高位大直徑定向長鉆孔抽采相結合的瓦斯治理方法。

圖1 本煤層鉆場扇形鉆孔布置示意圖

本煤層鉆場扇形鉆孔預抽方法：在工作面回風巷中布置鉆場，鉆場間距為60 m，從回風巷鉆場中施工順層抽采鉆孔。每個鉆場施工5個鉆孔，鉆孔終孔間距12 m，鉆孔孔徑φ153 mm，封孔深度9 m，預抽鉆孔布置示意如圖1所示。該方法主要對本煤層內(nèi)瓦斯進行預抽，以降低工作面煤層瓦斯含量。

上隅角采空區(qū)埋管抽采：為解決2303工作面上隅角瓦斯?jié)舛容^大的問題，在2303工作面回風巷敷設一條瓦斯抽采管道，管道直徑φ300 mm。利用井下移動抽放泵站對采空區(qū)瓦斯進行抽采。上隅角采空區(qū)埋管抽采瓦斯如圖2所示。

圖2 上隅角采空區(qū)埋管抽采瓦斯示意圖

回風巷鉆場高位鉆孔抽采方法：采用高位鉆孔對頂板裂隙帶內(nèi)瓦斯進行抽采。根據(jù)2303工作面不同時期的采高，高位鉆孔終孔點位置控制在煤層頂板以上5～12 m左右，控制工作面回風巷側30 m左右的距離。鉆場間距60 m，每個鉆場布置8個扇形鉆孔，鉆孔直徑φ153 mm，終孔間距10 m，鉆孔長120 m以上，鉆孔封孔長9 m。鉆孔布置如圖3所示。

圖3 工作面回風巷鉆場高位抽采鉆孔布置示意圖

定向長鉆孔瓦斯抽采方法：頂板高位大直徑定向長鉆孔抽采瓦斯方法采用千米鉆機實施定向鉆進，鉆進深度大，可實現(xiàn)一鉆多孔，能夠有效增加鉆孔覆蓋區(qū)域，減少鉆場施工量。根據(jù)2303綜放工作面的實際情況，在1 500 m范圍內(nèi)設計施工3個鉆場，每個鉆場施工8個頂板高位定向長鉆孔，1#鉆場距切眼600 m，2#鉆場與1#鉆場間距500 m，3#鉆場位于2303聯(lián)絡巷內(nèi)，每個鉆場單孔孔深約500 m，鉆孔間平距10 m，定向鉆孔終孔層位位于4-2煤層頂板以上15～22 m，內(nèi)錯回風巷10～50 m。鉆場開孔示意圖如圖4所示，2303工作面頂板高位定向鉆孔軌跡平面圖如圖5所示。

圖4 鉆場開孔位置示意圖

圖5 2303工作面頂板高位定向鉆孔平面圖

3 瓦斯抽采效果分析

3.1 回采工作面預抽效果分析

煤的原始瓦斯含量、壓力：抽采前，利用DGC瓦斯含量直接測定儀在2303切眼進行現(xiàn)場實測，并采集煤樣進行了瓦斯基礎參數(shù)測試，測得最大瓦斯含量為4.65 m3/t，并將測定結果根據(jù)公式(1)計算。

(1)

式中：W—煤層瓦斯含量，m3/t；a—吸附常數(shù)，試驗溫度下的極限吸附量，m3/t；b—吸附常數(shù)，MPa-1；p—煤層絕對瓦斯壓力，MPa；Mad—水分，%；Ad—灰分，%；k—孔隙率，%；γ—視密度，t/m3。計算得出煤層瓦斯壓力為0.66 MPa。

抽采后煤的殘余瓦斯含量、殘余瓦斯壓力：抽采后，利用DGC瓦斯含量直接測定儀對抽采后3個采樣地點煤的殘余瓦斯含量進行現(xiàn)場實測，根據(jù)井下及地面解吸系統(tǒng)測定結果得出殘余瓦斯含量分別為1.89 m3/t、2.41 m3/t、3.36 m3/t，并依據(jù)公式(1)對煤層殘余瓦斯壓力進行了反算，分別為0.21 MPa、0.28 MPa和0.42 MPa。

抽采率：2303工作面瓦斯抽采量為35.49 m3/min，風排瓦斯量5.89 m3/min，工作面瓦斯抽采率85.77%。2303工作面預抽效果滿足《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》和其他規(guī)范中的相關規(guī)定。

3.2 上隅角及高位鉆孔瓦斯抽采效果分析

上隅角瓦斯抽采效果分析：2303回采工作面上隅角埋管瓦斯抽采后，上隅角瓦斯?jié)舛扔芍暗钠骄?.75%降低到平均0.62%左右，瓦斯超限現(xiàn)象也很少發(fā)生。因此，上隅角埋管抽采措施為崔家溝煤礦的安全高效生產(chǎn)提供了有力保證。

高位鉆孔瓦斯抽采效果分析：高位鉆孔瓦斯抽采，能夠直接抽出位于上覆巖層內(nèi)所有煤層被采動或破壞后解吸出的瓦斯，鉆孔始終與斷裂帶保持良好的連通關系，并充分利用采空區(qū)瓦斯上浮原理，獲得更高的抽采瓦斯?jié)舛?。較高的孔口層位鉆孔可有效抽采工作面部分采空區(qū)瓦斯和鄰近層卸壓瓦斯，具有瓦斯抽采量大、抽采效率高、有效抽采周期長、抽采成本低等特點[11]。通過對采空區(qū)及上覆鄰近層瓦斯進行抽采，初始抽采瓦斯純量為2.1 m3/min，最大瓦斯抽采純量為7.8 m3/min，平均瓦斯抽采純量為4.8 m3/min，抽采最高瓦斯?jié)舛冗_84%，平均濃度55%，已累計抽采瓦斯純量268萬m3，2303工作面回風巷瓦斯?jié)舛容^之前有所下降，解決了瓦斯較大的問題，保證了工作面的安全高效回采。

4 結論

(1)根據(jù)2303綜放工作面瓦斯賦存情況及煤層參數(shù)，采用分源預測法預測了瓦斯涌出量，掌握了瓦斯的涌出來源；通過分析瓦斯涌出來源，采取了本煤層鉆場扇形鉆孔預抽、上隅角采空區(qū)埋管抽采、回風巷鉆場高位鉆孔抽采及頂板高位大直徑定向長鉆孔瓦斯抽采相結合的方法進行綜放面瓦斯治理。

(2)分析了4種瓦斯抽采方法的抽采效果，預抽得出的瓦斯抽采率等參數(shù)均符合規(guī)定；上隅角瓦斯抽采有效降低了上隅角瓦斯?jié)舛龋桓呶汇@孔抽采提高了瓦斯抽采量，降低了回風巷瓦斯較大的問題，4種抽采方法均取得了較好的效果。

(3)分源治理瓦斯的效果和經(jīng)驗，可以為本礦其他綜放工作面及同類高瓦斯礦井特厚煤層瓦斯抽采提供參考依據(jù)。