中保護(hù)層采煤工作面綜合瓦斯治理技術(shù)應(yīng)用

陳 華

（貴州盤江煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

目前被廣泛接受的最好的區(qū)域防突措施為開采保護(hù)層[1]。在開采保護(hù)層后，被保護(hù)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(jīng)由裂隙大量涌入保護(hù)層工作面及其采空區(qū)，導(dǎo)致保護(hù)層采煤工作面的瓦斯治理困難，尤其是中保護(hù)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?jié)舛瘸耷闆r尤為嚴(yán)峻，使煤礦安全及高效生產(chǎn)受到了嚴(yán)重的制約。大灣煤礦在長期的生產(chǎn)實(shí)踐過程中，積極探索煤礦綜合機(jī)械化采煤工作面的瓦斯治理新技術(shù)，并總結(jié)了國內(nèi)開采保護(hù)層工作的瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)[5]，已逐步形成以“全孔段下大直徑篩管鉆孔預(yù)抽+回風(fēng)側(cè)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(qū)瓦斯”為核心的現(xiàn)代化大型立體式瓦斯治理體系。該技術(shù)已成功地在X10902 工作面中使用，瓦斯抽采率已達(dá)到了90 %，且回采中從未發(fā)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(chǎn)條件，對(duì)類似工作面瓦斯防治技術(shù)有著較強(qiáng)的參考意義。

1 礦井概況

大灣煤礦西井位于水城礦區(qū)西北端，斜井開拓，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90 萬t/a，服務(wù)年限29 a，于2007年開工建設(shè)，2012 年建成投產(chǎn)。大灣煤礦西井區(qū)域內(nèi)主采 2、9、11 號(hào)煤層。2011 年 4 月重慶煤科院對(duì)大灣煤礦西井區(qū)域內(nèi)9 號(hào)煤層進(jìn)行的突出危險(xiǎn)評(píng)估及基本參數(shù)測定結(jié)論為：9 號(hào)煤層具有突出危險(xiǎn)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(hào)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(hào)煤層，下伏有 11、12、13、14、15 號(hào)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(shè)計(jì)采高為2.8 m，設(shè)計(jì)回采率為97%，計(jì)劃日采煤量2 000 t。

2 瓦斯涌出量預(yù)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(hù)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(dòng)空間，根據(jù)《大灣煤礦西井瓦斯地質(zhì)報(bào)告》及現(xiàn)場測定：大灣煤礦西井 2、3、4、5、7、8、9、11、12 號(hào)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(duì)瓦斯涌出量計(jì)算

X10902 工作面為綜采工作面，其工作面瓦斯涌出根據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》（AQ1018-2006）中分源預(yù)測法進(jìn)行預(yù)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(duì)瓦斯涌出量計(jì)算。根據(jù)公式q1=k1×k2×k3×（m/M）×（Wo-Wc），將 9 號(hào)煤層相關(guān)參數(shù)代入計(jì)算得出9 號(hào)煤層的相對(duì)瓦斯涌出量為8.82 m3/t。

2）鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算。根據(jù)公式q2=（Wo-Wc）×（m/M）×η，將各煤層的相關(guān)參數(shù)分別代入計(jì)算，得出：9 號(hào)煤層上鄰近的 2、3、4、5、7、8 號(hào)煤層的相對(duì)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(jì)21.68 m3/t；9 號(hào)煤層下鄰近的 11、12 號(hào)煤層的相對(duì)瓦斯涌出量分別為12.15、0.56 m3/t，下鄰近層瓦斯涌出合計(jì)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(yù)測及分析

經(jīng)計(jì)算，X10902 綜采工作面相對(duì)瓦斯涌出量為43.21 m3/t，若按日產(chǎn)原煤2 000 t 計(jì)算，其絕對(duì)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(dá)80 %左右，回采過程中上、下鄰近層瓦斯受到采動(dòng)影響，大量瓦斯會(huì)涌入采掘活動(dòng)空間，鄰近煤層中8、11 號(hào)瓦斯含量較高且距離9 號(hào)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(diǎn)；另外，開采層瓦斯涌出雖然占比較小但總量仍較高，絕對(duì)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(fēng)流瓦斯?jié)舛?，有必要?qiáng)化預(yù)抽措施針對(duì)性長效治理。

2.4 工作面瓦斯抽采需求分析

工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量約為60 m3/min，根據(jù)國家相關(guān)規(guī)范規(guī)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(jīng)計(jì)算該工作面瓦斯抽采規(guī)模需大于30 m3/min。

但根據(jù)該工作面通風(fēng)系統(tǒng)能力，工作面正常推采時(shí)風(fēng)量在1 000 m3/min，按回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?.6%，考慮瓦斯涌出不均衡性，一般風(fēng)排瓦斯能力在6 m3/min 左右，反算得到工作面瓦斯抽采規(guī)模需達(dá)到54 m3/min，即抽采率需達(dá)到90%以上。

3 綜合瓦斯治理技術(shù)方案設(shè)計(jì)

3.1 建立可靠的通風(fēng)系統(tǒng)

大灣煤礦西井采用中央并列抽出式通風(fēng)，新風(fēng)從主斜井和副斜井進(jìn)入，污風(fēng)由回風(fēng)斜井抽出。回風(fēng)斜井工業(yè)場地安裝2 臺(tái)FBCDZ-8№29 型軸流式主要通風(fēng)機(jī)，配套2 臺(tái)YBF630S1-8 型電機(jī)，功率為2×500 kW；1 臺(tái)正常工作，另外1 臺(tái)備用，主扇額定風(fēng)量 6 600～14 700 m3/min，風(fēng)壓 1.3～4.5 kPa。首采X10902 綜采工作面采用“U”型通風(fēng)。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》等規(guī)定，對(duì)采面所需風(fēng)量加以計(jì)算，工作面需配風(fēng)量800 m3/min，針對(duì)其在回采時(shí)期本煤層及鄰近煤層瓦斯涌出量較大的問題，設(shè)計(jì)風(fēng)量富裕系數(shù)為1.25，計(jì)算得出X10902 綜采工作面在正常開采時(shí)的需風(fēng)量為1 000 m3/min。

3.2 建立能力強(qiáng)的抽放系統(tǒng)

大灣煤礦西井安裝有高、低負(fù)壓抽放系統(tǒng)2 套。高、低負(fù)壓抽放系統(tǒng)分別安裝2 臺(tái)2BEC-62 型（最大壓力 16 kPa）、2BEC-67 型瓦斯抽放泵，1 臺(tái)正常工作，另外1 臺(tái)備用，電機(jī)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(shè)計(jì)

通過對(duì)大灣煤礦西井X10902 工作面的瓦斯涌出量進(jìn)行分析，并根據(jù)采掘巷道的層位關(guān)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(shù)。

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(gè)方面：①瓦斯抽采能夠大大降低突出危險(xiǎn)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?jié)摿?；②隨著瓦斯釋放使煤體收縮并變形，煤體所受到的應(yīng)力逐漸減小、煤體的透氣性增加，進(jìn)而使煤體彈性勢能得到釋放；③煤中瓦斯的釋放也會(huì)提高煤的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，進(jìn)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(xiǎn)性，起到了防突的作用[7，17]。

預(yù)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(yù)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(yùn)輸順槽與回風(fēng)順槽，分別隨煤層傾向“上下對(duì)打”的形式施工本煤層順層鉆孔，其中運(yùn)輸順槽施工的上向順層鉆孔孔深為120 m，而回風(fēng)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(nèi)全程埋設(shè)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?jié)舛纫话阍?0 %左右，最高濃度可達(dá)85%左右。鉆孔相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 本煤層順層抽采鉆孔參數(shù)表

通過對(duì)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(shí)踐，最后施工的鉆孔的預(yù)抽時(shí)間將達(dá)到40 d，可使工作面本煤層瓦斯的抽采率達(dá)到60%以上，消除了工作面的煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，變突出危險(xiǎn)工作面為無突出危險(xiǎn)工作面，為工作面產(chǎn)能高效發(fā)揮提供實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

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(yīng)力重新分布，工作面煤壁在壓力作用下發(fā)生拉伸、剪切破壞，并產(chǎn)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(jìn)入采空區(qū)；因此，通過向采空區(qū)裂隙帶施工高位鉆孔，一方面可以截?cái)嗌相徑鼘油咚瓜蚬ぷ髅嬗砍龅耐緩?，另外還能推動(dòng)采空區(qū)下部瓦斯改變運(yùn)動(dòng)方向，從而降低向采空區(qū)的涌出[6，18]。

沿工作面回風(fēng)巷每隔60～80 m 左右頂板穩(wěn)定、巖性好、易封孔的地方布置一個(gè)高位鉆場。在每個(gè)鉆場中，沿煤層走向向采煤工作面方向布置并施工12～14 個(gè)抽采鉆孔，終孔點(diǎn)均位于煤層頂板上方15～20 m 的裂隙帶內(nèi)，以防止上部鄰近層瓦斯涌入采空區(qū)，鉆孔控制到X10902 回風(fēng)巷輪廓線至工作面50 m 范圍，孔深80 m 左右，鉆孔連接高負(fù)壓系統(tǒng)抽采采空區(qū)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(hào)煤層距下部的11 號(hào)煤層僅15 m，因此，11 號(hào)煤層的瓦斯在X10902 工作面回采期間受采動(dòng)影響必然有大量涌入采空區(qū)，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(qū)，在X104 底板瓦斯巷每隔10 m 施工1 組穿層預(yù)抽鉆孔抽采工作面下部區(qū)域鄰近11 號(hào)煤層瓦斯，每組鉆孔布置5 個(gè)，鉆孔終孔于11號(hào)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(yù)抽鉆孔抽采工作面上部區(qū)域鄰近11 號(hào)煤層瓦斯，每組鉆孔布置3 個(gè)，鉆孔終孔于11 號(hào)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(qū)瓦斯

采空區(qū)埋設(shè)管路抽采瓦斯是解決工作面上隅角瓦斯超限和回風(fēng)問題的主要措施之一。采空區(qū)埋設(shè)管路抽采瓦斯?jié)舛韧ǔＴ?%～20 %之間，對(duì)采空區(qū)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(qū)漏風(fēng)[19-20]。

在X10902 回風(fēng)巷安裝一趟φ529 mm 的瓦斯管路進(jìn)行低負(fù)壓抽采，X10902 回風(fēng)巷掘進(jìn)期間在上幫每隔40 m 施工1 個(gè)高位窩，高位窩距X10902 回風(fēng)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(wǎng)、錨桿支護(hù)。

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(wǎng)和紗布包裹，防止細(xì)小的煤矸石和雜物進(jìn)入主管道。蜂窩管支管與低負(fù)壓主管路通過閘閥控制，當(dāng)高位窩進(jìn)入采空區(qū)的擋墻后，打開低負(fù)壓主管路上的閘閥，投入對(duì)采空區(qū)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(yīng)用效果

通過采用綜合瓦斯治理技術(shù)，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(chǎn)量高達(dá)2 500 t，低負(fù)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(fù)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(fēng)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(xiàn)象，有利促進(jìn)產(chǎn)能的充分釋放。

5 總 結(jié)

通過在大灣煤礦X10902 工作面進(jìn)行綜合瓦斯治理技術(shù)應(yīng)用，可得出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

1）采用技術(shù)后，礦井通風(fēng)壓力降低，通風(fēng)條件得到改善，采煤工作面作業(yè)環(huán)境得到改善。在回采過程中，有效控制了工作面回風(fēng)流的瓦斯?jié)舛炔怀^0.5 %，從而消除了上隅角瓦斯超限現(xiàn)象，確保了工作面的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。

2）對(duì)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(qū)瓦斯向工作面活動(dòng)空間的涌出，同時(shí)解決了瓦斯超限問題，消除了瓦斯對(duì)工作面安全生產(chǎn)的威脅，目前已安全回采煤量35 萬t，礦企經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

3）綜合瓦斯治理技術(shù)必須立足于采掘布局，因地制宜，充分利用巷道層位關(guān)系，在工作面布置本煤層順層抽放鉆孔，對(duì)本煤層瓦斯進(jìn)行采前預(yù)抽；在回采過程中，通過布置高位鉆場實(shí)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(qū)；利用底板瓦斯治理巷布置鉆孔對(duì)下鄰近層進(jìn)行瓦斯抽放，在采動(dòng)期間和采動(dòng)之后通過埋設(shè)管路抽取采空區(qū)瓦斯，減少瓦斯涌出，保障安全生產(chǎn)。