黃巖匯煤礦綜合瓦斯抽采技術研究與實踐

趙 寧，戴廣龍，尹 海

(1.安徽理工大學能源與安全學院，安徽 淮南 232001;2.國投昔陽能源有限責任公司黃巖匯煤礦，山西 昔陽 054300)

我國是能源大國，煤炭在我國工業發展中仍占有很大比重。但是，煤炭事故頻發，尤其是瓦斯突出事故仍然是制約煤炭工業發展的一大瓶頸。防止瓦斯事故最主要手段是進行瓦斯抽采[1-2]。現有的瓦斯抽采防突措施主要有：順層鉆孔預抽、穿層鉆孔抽采、底抽巷抽采、高抽巷抽采、采空區埋管抽采、地面鉆井抽采等等一系列措施。目前，我國仍有許多礦井采用單一抽采方法很難適應礦井安全生產的要求，因此必須根據具體的礦井條件來運用多種抽采方式，綜合抽采瓦斯，既有效利用瓦斯能源又防治煤與瓦斯突出，減少回風流瓦斯濃度，防止瓦斯超限[3-4]。本文以黃巖匯礦為例，采用本煤層預抽，高位鄰近層鉆孔抽采、底抽巷抽采、采空區埋管抽采多種手段綜合治理瓦斯。

1 工程概況

黃巖匯煤礦15102工作面位于井底車場西北部，東部為井田邊界，西部為未采區域，南部為1采區膠帶大巷和回風大巷，北部為村莊保護煤柱。根據地質資料和巷道施工實際揭露，該工作面膠帶順槽有CX102-2陷落柱、CX102-3和CX102-5陷落柱；軌道順槽有CX102-4陷落柱。陷落柱附近小斷層較發育，其對工作面回采沒有太大的影響。工作面煤層賦存深度為280～310m，平均賦存深度295m，煤層厚度為3.8～7.3m，平均4.5m，賦存穩定。煤層傾角在4～16°之間，平均7°。煤層上部局部含一到二層夾矸，夾矸厚0.2～0.4m。該煤層老頂為細到中粒砂巖，厚度4～8m，內含0.4m厚煤線；偽頂為砂質泥巖，厚度1.5～2.0m；直接頂為砂質巖泥，厚度6m，局部靠上部有一層兩米厚泥巖；直接底為粉砂質泥巖，厚度7m，含三到四層煤線。15102工作面設計可采長度1130m，傾向長為180m，平均可采斜面積為198000m2。該工作面選用后退式單一傾斜長壁采煤方法下行開采，沿煤層頂底板采用綜合機械化設備，一次采全高，全部垮落法管理頂板。

2012年度黃巖匯煤礦15#煤層絕對瓦斯涌出量：86.85m3/min，相對瓦斯涌出量：39.26m3/t，15#煤層透氣性系數平均為0.0708m2/(MPa2·d)，煤層實測斯壓力為0.1～0.4 MPa；煤層瓦斯含量為5.0～12.9m3/t，鑒定等級為突出礦井。根據區域預測第一階段報告，15102區域煤層瓦斯原始含量在6～10m3/t，煤層絕對瓦斯涌出量為60m3/min，相對瓦斯涌出量10.2m3/t。因此根據相關規定，15102工作面必須建立相關抽采系統進行瓦斯抽采[5]。

2 抽采瓦斯

為解決工作面瓦斯涌出量較大，部分區域有突出危險性的問題，應根據不同區煤層賦存的地質條件及瓦斯來源情況，有針對性的選擇不同的抽采方法，高效經濟的抽采瓦斯[6]。15102工作面用順層鉆孔預抽回采區域煤層瓦斯的抽采方法降低煤層瓦斯含量，用高抽巷、頂板走向鉆孔抽采鄰近層與采空區瓦斯，用上隅角埋管抽方法抽采采空區瓦斯，控制上隅角瓦斯濃度。

2.1 本煤層瓦斯抽采

根據黃巖匯煤礦瓦斯含量分布預測圖顯示，15102運輸巷掘進區域瓦斯含量在6～9m3/t，預測突出危險區在距回風下山726～1657m，因此采用順層鉆孔預抽該煤層瓦斯，防止煤與瓦斯突出。

從15102工作面停采線外20m開始在軌順與膠順同時布置垂直于工作面走向的順層瓦斯抽放鉆孔，間距為2m，孔深為90m，孔徑113mm，鉆孔傾角為煤層的傾角。用煤礦液壓深孔CMS1—6200/80型鉆機，配合Φ69mm的鉆桿和Φ113mm的PDC鉆頭進行鉆孔施工。抽采鉆孔采用注漿封孔技術進行封孔，封孔時按1∶5以內發泡倍數對聚胺脂合理配比，封孔長度12m。

順層瓦斯抽采管路采用Φ355mm聚乙烯瓦斯管路，分別布置在15102膠順與15102軌順中，距頂200mm，距幫200mm。Φ355mm聚乙烯瓦斯抽放管路與短接三通間隔相接最終與風巷Φ630mm瓦斯抽采管路相連。選用2BEC72型地面固定高負壓瓦斯抽放泵，抽采負壓為30～40kPa。同時在巷道低洼處瓦斯抽采管路要安裝手動放水器確保抽采管路通暢。具體抽采鉆孔布置如圖1所示。

圖1 15102工作面順層鉆孔抽采布置

經過近10個月的瓦斯抽采，累計抽采量32.09萬m3，本煤層瓦斯含量降至2.05～7.01m3/t，全區域平均4.27m3/t；基本消除15102工作面具有突出危險性的問題，確保工作面安全回采。在工作面回采后繼續用順層孔實施邊抽邊采，在回采初期順層鉆孔濃度平均15%，抽采純量平均13m3/min，說明回采后順層孔仍有良好的抽采效果。

2.2 高抽巷抽采瓦斯

2.2.1 高抽巷布置

據本礦現場生產實踐證明，采煤工作面鄰近層瓦斯涌出量占工作面總量的80%以上。因此，治理鄰近層瓦斯是解決工作面瓦斯超限，保證礦井安全生產的關鍵。目前，采用高抽巷抽采瓦斯技術是積極治理瓦斯災害的重要措施之一[7]。

高抽巷的位置是否合理直接關系到瓦斯抽采的效果。隨15102工作面的推進，在采動垂直方向上分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，在水平方向上形成煤壁支撐影響區、離層區、重新壓實區，橫三區、豎三帶隨著工作面推進一直存在的[8-9]。因此，若高抽巷距煤層太近有可能隨巖層冒落易遭破壞，若高抽巷離煤層較遠，采動裂隙無法貫通都會影響高抽巷抽采效果，故只有把高抽巷裂隙帶上部為最佳。根據冒落帶高度經驗公式[10]：Hc=100m/(0.49m+19.12)±4.71(Hc為冒落帶高度；m為煤層開采厚度)計算可知15102工作面冒落帶16.39～25.81m，根據裂隙帶高度經驗公式[10]：Hf=100m/(0.26m+6.88)±11.49(Hf為裂隙帶高度；m為煤層開采厚度)計算可知裂隙帶高度44.41～67.39m。結合相關地區經驗，考慮鄰近層煤層位置，確定15102高抽巷布置在工作面上部9#煤層中，距工作面煤層頂板垂直距離約65～68m，與工作面回風巷道水平距離為50m。巷道為4m×3m矩形斷面，采用錨網支護。高抽巷施工完畢后，預埋Φ630mm抽采管路并將高抽巷進行永久封閉，迎頭向切眼施工直徑為800mm的鉆孔并與切眼貫通，外端口安裝同型號抽采管路與回風下山Φ630mm管路進行對接形成高抽巷瓦斯抽采系統，由地面固定瓦斯抽采泵抽采。

2.2.2 高抽巷效果分析

從工作面回采開始，對高抽巷瓦斯濃度，抽采瓦斯量進行記錄分析，具體抽采情況如圖2所示。

-▲-抽采瓦斯量；-●-抽采瓦斯濃度

根據15102高抽巷瓦斯抽采情況圖可知，在工作面開始回采后高抽巷瓦斯抽采濃度與抽采純量都比較低。當工作面推過28m后瓦斯抽采量與瓦斯抽采濃度開始增加，說明28m左右頂板垮落，鄰近層瓦斯瓦斯涌出，隨后瓦斯抽采濃度一直保持在20%以上，且隨著頂板周期垮落有所升高。經過三個月的現場實測，高抽巷抽采濃度平均在40%，抽采純量25m3/min，抽采總量2985.94萬m3。

2.3 頂板走向鉆孔抽采

由于15102工作面不再布置尾巷，為解決尾巷去除后綜采工作面回采時上隅角瓦斯問題，在15102軌順開鉆場布置頂板走向瓦斯抽采鉆孔，對工作面上隅角區域冒落帶進行瓦斯抽采，防止工作面上隅角瓦斯超限。

在距15102軌順停采線以外30m左幫開始布置鉆場，鉆場規格為寬度4m，深度5m，高度3.8m，沿巷道底板掘進。往里每間隔40m布置一個鉆場直到切眼，每個鉆場內布置兩排鉆孔，每排4個，共計8個，第一排鉆孔開孔位置距巷道底板1.5m位置，鉆孔間距為1000mm，終孔位置在15#煤層頂板12m處，仰角為12°；第二排鉆孔開孔位置距巷道底板1.8m位置，鉆孔間距為1000mm，孔終位置在15#煤層頂板18m處，仰角為16°。鉆孔終孔間距為5m，控制范圍為工作面上隅角至工作面15m，鉆孔長度為70m，鉆孔水平重疊30m。計劃在15102軌順共布置鉆場29個，鉆孔232個。瓦斯抽采鉆孔施工選用煤礦用液壓深孔CMS1—2000/58型鉆機，配合Φ98mm的鉆桿和Φ113mm的PDC鉆頭。為防止泥巖堵孔，鉆孔內下Φ75mmPVC套管30m，鉆孔封孔采用Φ75mmPVC管聚胺酯封孔8m，使鉆孔牢固不漏氣。具體鉆孔布置如圖3所示。

圖3 頂板走向鉆孔抽采鉆孔示意

經過現場測定，15102軌順頂板走向鉆孔前三個月平均瓦斯濃度16%，平均抽采純瓦斯量為4m3/min ，抽采瓦斯量為104萬m3。

2.4 采空區埋管抽采瓦斯

為防止上隅角瓦斯超限，在15102工作面上隅角擋風墻內埋管抽采瓦斯。上隅角每隔10m設置一道擋風墻，在擋風墻內逐步截斷Φ280mm PVC瓦斯抽采管，進行瓦斯抽放，保證回采期間上隅角瓦斯濃度低于規定范圍以下。選用2BEC72型地面固定高負壓瓦斯抽放泵，為其提供不少于18kPa的抽采負壓。經實測，采空區埋管抽采瓦斯濃度平均為5%，抽采純流量平均1.5m3/min。

通過采用鄰近層瓦斯抽采鉆孔與采空區埋管抽采采空區瓦斯，使回采后上隅角瓦斯濃度在0.64%以下，較好的防止瓦斯超限問題，確保安全生產。

3 結論

1)單煤層開采，鄰近層瓦斯較大的高瓦斯礦井必須采用綜合瓦斯抽采方法，確保工作面安全回采。

2)經過采用本煤層瓦斯抽采，高抽巷抽采瓦斯，頂板走向鉆孔與采空區埋管抽采并用的綜合瓦斯治理措施，使本煤層瓦斯含量降低到2.05～7.01m3/t，使上隅角瓦斯濃度控制在0.64%以下，較好的解決了工作瓦斯突出，與瓦斯超限的問題。

3)抽采的瓦斯由礦屬瓦斯發電廠利用發電，增加企業收入，一舉多得，值得在相似礦區進行推廣。

[1] 國家煤礦安全監察局.防治煤與瓦斯突出規定[M].北京:煤炭工業出版社,2009.

[2] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業大學出版社，1992:154-156.

[3] 林柏泉,張建國.礦井瓦斯抽放理論與技術[M].北京:中國礦業大學出版社，2007:26-27.

[4] 于不凡.煤礦瓦斯災害防治及利用手冊[M].北京:煤炭工業出版社,2005.

[5] 國家安全生產監督管理局,國家煤礦安全監察局.煤礦安全規程[M].北京:煤炭工業出版社,2011.

[6] 袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術[M].北京:煤炭工業出版社,2004.

[7] 李曉泉.采空區高位鉆場與高抽巷瓦斯抽采方法對比及實例分析[J].煤礦安全,2011,42(5):122-125.

[8] 錢鳴高,石平五.礦山壓與巖層控制 [M].北京:煤炭工業出版社,2003.

[9] 靳鐘銘,徐林生.煤礦堅硬頂板控制[M].北京:煤炭工業出版社,1994.

[10] 許延春,李俊成,劉世奇,等.綜放開采覆巖“兩帶”高度的計算公式及使用條件分析[J].煤礦開采,2011,16(2):4-6.