近距離煤層群瓦斯異常區綜采面瓦斯綜合治理技術＊

王躍明 王金光 張延國 李世俊 龔 爽 李二鵬

（1.太原理工大學礦業工程學院，山西省太原市，030024；2.中國礦業大學 （北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；3.中鋼集團工程設計研究院有限公司石家莊設計院，河北省石家莊市，050021）

隨著綜合機械化采煤技術在礦井中的應用以及礦井采掘水平的延伸，近距離煤層群礦井綜采面的瓦斯超限現象越來越頻繁。由于每種通風方式都有其使用條件和弊端，實踐證明僅靠通風已不能有效解決綜采面瓦斯問題。因上隅角瓦斯含量約占綜采面瓦斯含量的70%，因此抽采上隅角瓦斯治理瓦斯超限問題效果明顯，而單一的抽采方式不能保證連續、全面的抽采，從而無法確保綜采面的正常有序開采。本文以鎮城底礦22611 綜采面為工程背景，從煤層賦存條件、地質構造、人為因素等方面分析了瓦斯異常區域形成的原因，并對上隅角瓦斯積聚的原因進行深入研究，采取了綜合瓦斯治理措施，有效解決了綜采面瓦斯超限問題，確保了近距離煤層群綜采面的安全高效生產。

1 工程概況

鎮城底礦位于山西西山煤田西北邊緣，地處古交市西北，為低瓦斯礦井，煤層賦存有近距離、多煤層、不穩定等特點。本井田含煤13層，可采煤層有1＃、2＃-3＃、4＃、6＃、7＃、8＃、9＃、10＃共8層，目前礦井主采2＃-3＃煤層和8＃煤層。可采煤層特征見表1。22611 綜采面開采2＃-3＃煤層，采用綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板，U 型通風方式。煤層具有煤塵爆炸性，為自燃煤層，煤種為特低硫中灰的優質肥、焦煤，煤層瓦斯含量為2.3 m3／t，煤的堅固性系數為0.36，百米流量衰減系數為0.2154d-1，煤層的透氣性系數為1.107m2／MPa2·d。22611綜采面所處的南六采區絕對瓦斯涌出量約占全礦井的55%，目前按高瓦斯礦井管理。

表1 可采煤層特征

2 綜采面瓦斯超限原因分析

2.1 瓦斯異常區形成的原因

鎮城底礦瓦斯異常區域的形成主要是煤層露頭、圍巖性質、斷層、陷落柱、采煤方法、通風方式等因素造成。

（1）煤層露頭影響。由于鎮城底礦西北為煤層露頭，成煤過程中形成的瓦斯長期向大氣中排放，此處煤層中的瓦斯含量較少，因此在開采北部的東翼、西翼采區時瓦斯含量較低。而該礦的其它地方沒有煤層露頭，煤層中的瓦斯保存相對較好，22611綜采面正處于沒有煤層露頭處，故瓦斯含量相對較高。

（2）圍巖性質影響。22611綜采面煤層頂板是平均厚度為1.02m 的灰黑色砂質泥巖，局部為細砂巖，底板為平均厚度1.66m 的砂質泥巖，由于泥巖的透氣性差，對煤層中的瓦斯有封存作用，使煤層中的瓦斯大部分被很好地保存在煤體中。

（3）地質構造影響。22611綜采面為斷裂構造發育，斷層較多且大部分為正斷層，斷層上下盤的落差大于3m，受地質運動影響，封閉性好有利于瓦斯賦存，而陷落柱在22611綜采面也較發育，大部分陷落柱柱壁相向傾斜，傾角多在80°以上，巖性多為泥巖、砂質泥巖、部分砂巖等，陷落柱內必然積聚瓦斯。

（4）生產工藝影響。22611綜采面使用綜合機械化采煤法，產量提高的同時瓦斯涌出量也增加。由于是近距離煤層群開采，在開采時伴隨大量上下鄰近層瓦斯解析、擴散、滲流涌入采空區，處理不及時就會造成瓦斯異常。綜采面采用U 型通風方式，U 型通風最大弊端就是上隅角容易積聚瓦斯。

2.2 22611綜采面上隅角瓦斯積聚原因分析

（1）在近距離煤層群條件下，22611綜采面被開采后，除采空區遺煤涌出的瓦斯外，上鄰的1＃煤層和下鄰的4＃煤層的大量卸壓瓦斯也涌向綜采面采空區，造成采空區大量瓦斯積存，由于瓦斯密度較小，在瓦斯自然浮力作用下，大量采空區瓦斯向綜采面上隅角運移。

（2）22611綜采面采用U 型通風，新鮮風流進入綜采面分兩部分，在進、回風巷風壓差作用下，大部分風流把22611綜采面的瓦斯帶進回風巷，另一部分流入采空區的風流把采空區高濃度瓦斯帶回22611綜采面，兩股風流在上隅角處匯合，上隅角作為U 型通風綜采面的漏風匯，極易造成瓦斯積聚，見圖1。

（3）22611綜采面上隅角位于回風巷和采空區的結合處，風流在上隅角處直角轉彎時，在上隅角形成渦流區，由于此處風速低，上隅角處于渦流狀態的瓦斯不易被稀釋并流入回風巷中，這樣大量瓦斯在渦流區運動引起瓦斯積聚進而可能造成上隅角瓦斯超限。

圖1 綜采面風流流向及O 形圈平面圖

3 綜采面瓦斯綜合治理技術

根據瓦斯異常區形成的原因及對22611綜采面上隅角瓦斯積聚的原因進行研究，結合其他鄰近礦井的經驗，提出通風系統優化、頂板走向水平長鉆孔抽放技術、上隅角雙埋管相結合的通風為輔、抽采為主的綜合治理措施。

3.1 通風系統優化

3.1.1 U 型通風方式的確定

鎮城底礦在開采南六采區22606工作面時，前期采用U 型通風就可以解決工作面瓦斯超限問題，隨著開采深度的增加和強度的加大，U 型通風已不能滿足生產的需要，22606工作面上隅角和回風巷中瓦斯濃度時常超限。在U 型通風的基礎上，計劃對22606工作面采用U+L型通風方式進行改造，但采用U+L型通風方式后尾巷中的瓦斯又變成安全隱患。隨后在施工時改用軌道巷、運輸巷進風，工作面中間開挖的中間巷回風的兩進一回的W 型通風方式，采用這種通風方式后，在實際生產中發現軌道巷、運輸巷流出的風流在中間巷匯集共同流入中間巷時，由于風流不一樣，在中間巷附近支架處形成空氣對流區，使該處支架后面的瓦斯無法排出，造成瓦斯濃度超標，即使在中間巷附近使用風障引導兩側風流排放效果仍不理想。22611綜采面由于采用通風和瓦斯抽放相結合的綜合瓦斯治理措施，同時鑒于U 型通風的眾多優點，22611綜采面仍采用U 型通風方式。

3.1.2 增加進風量

增加綜采面進風量在一定程度上有利于綜采面瓦斯的治理。但如果進風量過大，進入采空區的漏風量也相應增加，造成漏風流把采空區深部的瓦斯帶回綜采面，由于22611 綜采面采用U 形通風，瓦斯流容易從綜采面上隅角流出，引起上隅角瓦斯積聚，同時風量過大也不利于綜采面粉塵的防治。通過對增加進風量和綜采面瓦斯監測數據變化進行研究，提高22611綜采面供風量為871m3／min時，綜采面瓦斯濃度為最低，相對此增大或減小風量都會造成綜采面瓦斯濃度升高。同時更換南風井的主要通風機，通風機運行參數見表2。

表2 南風井主要通風機運行參數

3.2 頂板走向水平長鉆孔抽放

22611綜采面上、下鄰近煤層中的瓦斯受采動影響，以解吸、擴散、滲流的形式從采動裂隙進入采空區，在瓦斯濃度梯度壓力和瓦斯浮力作用下進入O 形圈，使O 形圈成為采空區瓦斯聚集和運移的主要通道。鎮城底礦在回風巷煤層頂板布置的鉆場里向采空區裂隙帶附近施工長鉆孔，利用抽放管的負壓，抽采O 形圈內的瓦斯，減少采空區瓦斯進入綜采面。

從開切眼沿回風巷走向100 m 時開掘斜巷進入煤層頂板施工第一個垂直于回風巷的鉆場，鉆場間隔80m，鉆場尺寸為4.0 m×9.0 m×3.0 m。在鉆場東側呈扇形向采空區上部打5 個深度為130m左右的長鉆孔，其中低位裂隙帶鉆孔3 個，高位裂隙帶鉆孔2個。鉆孔開孔位置和煤層頂板的垂直距離為0.5m，終孔位于冒落帶頂部和裂隙帶下部附近區域，沿傾向方向控制上隅角附近距回風巷30m 范圍，為了保證綜采面過鉆場時頂板走向鉆孔的抽采效果及銜接，前后鉆場壓岔50 m。用鋼絲骨架膠管把塑料封孔管和抽放管連接起來，采用2BEC52瓦斯抽放泵抽放采空區瓦斯，鉆場鉆孔布置見圖2，瓦斯抽放設備參數見表3。

圖2 鉆場鉆孔布置圖

表3 瓦斯抽放設備參數

在采用頂板走向水平長鉆孔抽放瓦斯時，鎮城底礦首次使用簡易手動放水器，手動放水器示意圖見圖3。調整頂板走向水平長鉆孔的鉆孔連接方式，人為形成由高到低的管道使之容易積水，在管道末端安裝簡易手動放水器，通過閥門控制負壓，手動放水進行卸壓，很好地解決了采用水流排渣時致使鉆孔內積水較多、增加抽采負壓、影響瓦斯抽采的問題，提高了頂板走向水平長鉆孔瓦斯抽放效果。

圖3 手動放水器示意圖

3.3 上隅角雙埋管抽放技術

在22611綜采面回風巷北側上部架設一條直徑355mm 聚乙烯瓦斯抽放管，外端與南六采區的移動瓦斯抽采泵站相連，采用2BEC50抽放泵進行抽采。在該抽放管上每隔5 m 安裝一個三通，每隔15m 安裝一個閥門，當該管路進入采空區15 m時，預埋第二條管路。第二條管路通過三通與第一條管路在30m 處連接起來，此時第二條管路處于封閉狀態，當綜采面推過第二條抽放管15 m 時，打開第二條管路的閥門進行抽采，在第二條管路的每個三通上都連接和第一個抽放管一樣的直徑219mm、長度為2m 的花管，為避免埋管被矸石砸壞，在進入采空區的埋管上面鋪上石棉瓦確保抽放管正常工作，以此循環，確保連續有效抽放，綜采面上隅角埋管布置見圖4。

4 監測監控及瓦斯治理效果

綜采面瓦斯的治理是各種措施共同作用的結果，有效地監測監控是防治瓦斯的關鍵。瓦斯濃度數據對治理瓦斯有非常重要的意義，因此必須保證監測監控系統的有效運行和強化人機互檢制度，以便在瓦斯涌出異常時采取針對性治理措施。鎮城底礦在南六采區安裝了一套KJ75N 瓦斯抽采監測監控系統，并在22611綜采面的帶式輸送機巷、綜采面上隅角、軌道回風巷等瓦斯易于積聚的地方安裝瓦斯傳感器、氧氣傳感器、風速傳感器、溫度傳感器及CO 傳感器等相關設備，確保監控系統的監測信號質量，連續監測瓦斯數據。

圖4 綜采面上隅角雙埋管布置圖

采取以上綜合治理措施后，南六采區22611綜采面的通風量與以前的進風量相比有大幅升高，且此風量為最合理通風量，有效稀釋了綜采面的瓦斯濃度；頂板走向水平長鉆孔抽采采空區瓦斯，避免了大量采空區瓦斯進入綜采面；綜采面上隅角雙埋管抽采降低上隅角處的瓦斯濃度。監控設備上瓦斯濃度數據顯示，綜采面上隅角和回風巷的瓦斯濃度得到很好的控制，確保了綜采面的正常開采。

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