煤礦瓦斯綜合抽采技術及應用

王劍光

（山西中煤潘家窯煤業有限公司，山西省朔州市，036000）

隨著煤礦開采機械化水平的提高，以及特厚煤層一次采全高技術和綜采放頂煤技術的大面積推廣應用，工作面推進速度越來越快，產量越來越高，加之隨著礦井開采向深部的延伸，煤層瓦斯含量越來越高，造成我國部分礦區工作面瓦斯涌出量急劇增加。對于煤與瓦斯突出煤層，還需要在開采前進行瓦斯抽采消除其突出危險性。然而單一的瓦斯抽采方式抽采能力有限，且在時間、空間上不能貫穿工作面瓦斯抽采的整個過程，單一的瓦斯抽采方法無法保證工作面的安全開采，因此，大至礦井，小至采掘工作面，在瓦斯抽采手段的運用上必須堅持多措并舉的思想，進行礦井的綜合瓦斯抽采，確保礦井的運行安全。

1 煤礦瓦斯綜合抽采的內涵

煤礦瓦斯抽采方法很多，根據不同的劃分原則，瓦斯抽采方法有多種分類方法。以煤層開采時間劃分，分為采前抽采、采中抽采和采后抽采。以瓦斯抽采對象劃分，分為本煤層抽采、鄰近層抽采、回采工作面抽采、掘進工作面抽采和采空區抽采。以抽采方式劃分，分為鉆孔抽采 （順層鉆孔和穿層鉆孔）、地面鉆井抽采、巷道抽采和埋管抽采等。煤礦瓦斯綜合抽采及各種抽采方法的相互關系 如圖1所示。

圖1 煤礦瓦斯的綜合抽采及各種抽采方法的關系

并不是將上述所有抽采方式集中在一個礦井使用才稱為煤礦綜合瓦斯抽采。對于一個礦井、一個煤層而言，不可能通過單一的瓦斯抽采方法解決礦井瓦斯問題。應結合煤層地質、瓦斯賦存等條件，通過技術方案論證，擇優選定幾種抽采方法進行有機組合對煤層進行綜合的瓦斯抽采，實現煤礦瓦斯抽采的最大化。通過煤礦瓦斯的綜合抽采，使得抽采效果滿足工作面采前、采中、采后各時間段的瓦斯抽采考核要求，最終確保工作面的安全采掘，實現高瓦斯突出礦井的安全高效生產。

2 煤礦瓦斯綜合抽采的作用及考核指標

綜合瓦斯抽采方法是采前、采中和采后各階段多種有效抽采方法的有機組合。通過采前區域性瓦斯抽采，可有效降低煤層瓦斯含量和壓力，消除煤層的突出危險性。采前抽采要求將煤層瓦斯壓力或含量降至始突深度處瓦斯壓力或含量，若沒能考察出始突深度的煤層瓦斯壓力或含量，則需要將煤層瓦斯壓力降至0.74 MPa以下或將瓦斯含量降至8m3／t以下。在工作面開采過程中，通過采中瓦斯抽采降低涌入開采工作面的瓦斯量，控制工作面回風流及上隅角瓦斯濃度，提高工作面瓦斯抽采率，確保工作面的開采安全。當工作面瓦斯涌出量主要來自鄰近層時采用工作面瓦斯抽采率來衡量采中瓦斯抽采效果，當工作面瓦斯涌出量主要來自本煤層時采用開采煤層可解吸瓦斯含量來衡量采中瓦斯抽采效果。在工作面開采結束后，密閉采空區，加強對采空區及頂底板裂隙內高濃度瓦斯的抽采，并加以綜合利用，進而提高礦井瓦斯抽采率和瓦斯利用率，采后抽采目前還沒有明確的瓦斯抽采考核要求。

通過工作面的采前、采中和采后抽采，實現煤礦瓦斯的綜合抽采，綜合抽采效果采用礦井總回風瓦斯濃度及礦井瓦斯抽采率來衡量。瓦斯綜合抽采作用及考核指標見表1。各瓦斯抽采的考核指標是瓦斯抽采的最低要求，綜合瓦斯抽采的最終目標是在滿足最低瓦斯抽采要求的基礎上實現礦井瓦斯抽采的最大化，保證礦井具備較高的安全開采水平。

3 煤礦瓦斯綜合抽采的技術途徑

煤礦瓦斯的綜合抽采是通過分別對回采工作面的采前、采中和采后的抽采來實現的，具體方法如表2所示。采前抽采主要目的是降低煤層瓦斯壓力和含量，消除其突出危險性。對于單一煤層，采用預抽煤層瓦斯技術，具體的抽采方式包括穿層鉆孔結合順層鉆孔瓦斯抽采法、順層長鉆孔遞進掩護瓦斯抽采法、千米鉆機順層長鉆孔瓦斯抽采法、地面鉆井抽采法等措施。我國的大多數煤層透氣性系數很低，要求抽采鉆孔的間距不能過大，在淮南、淮北地區，抽采煤巷條帶的穿層鉆孔間距一般為5～8 m，抽采工作面煤體的順層鉆孔間距一般為3～5m；而千米鉆機順層長鉆孔抽采方式對煤層賦存要求較高，該方法在山西晉城地區應用較好；而對于煤層群開采條件，則應優先采用保護層開采及卸壓瓦斯抽采技術，卸壓瓦斯抽采方法主要包括底板巖巷網格式穿層鉆孔抽采法和地面鉆井瓦斯抽采法。

采中抽采是為了確保工作面的開采安全，其抽采方式與工作面通風方式有關。對于U 型通風工作面，抽采方式包括頂板走向穿層鉆孔抽采法、采空區埋管抽采法、采空區插管抽采法、地面鉆井抽采法等抽采方式；對于Y 型通風工作面，抽采方式包括沿空留巷穿層鉆孔抽采法、沿空留巷埋管抽采法、地面鉆井抽采法等抽采方式。而對于工作面瓦斯涌出量在30 m3／min 以上的高瓦斯工作面，不論何種通風方式，均可采用走向高抽巷法進行瓦斯抽采，在具有外錯尾巷的工作面還可采用傾斜高抽巷法和大直徑傾斜鉆孔法進行瓦斯抽采。

采后抽采是對密閉采空區及頂部裂隙內的瓦斯進行抽采，主要作用是為了提高礦井瓦斯抽采率和提高礦井瓦斯利用量，主要方法包括地面鉆井抽采法、井下穿層鉆孔抽采法和密閉埋管抽采法等。

表1 瓦斯綜合抽采作用及考核指標

表2 綜合瓦斯抽采的技術方法及適用條件

4 綜合抽采的應用實例

祁南煤礦為煤與瓦斯突出礦井，核定生產能力240萬t／a，主采3＃、7＃和10＃煤層，6組煤為局部可采煤層，其中7＃煤層和3＃煤層均為煤與瓦斯突出煤層，曾發生多次煤與瓦斯突出動力現象，在標高-550m處測定的最大瓦斯壓力為3.5 MPa，瓦斯含量為12.4m3／t；3＃煤層目前開采最深采區（標高-550～-800 m）瓦斯壓力為2.0～4.76 MPa，瓦斯含量為8.7～11.57m3／t；10＃煤層、6組煤無突出危險，6 組煤包括61＃、62＃、63＃煤層。根據2010年瓦斯等級鑒定結果，礦井總的相對瓦斯涌出量為13.55 m3／min，絕對瓦斯涌出量為66.43m3／min。礦井現有地面永久抽采系統一套，井下移動抽采系統兩套。根據采前抽采、采中抽采、采后抽采的劃分原則，祁南煤礦礦井綜合瓦斯抽采如圖2所示。

圖2 祁南煤礦綜合瓦斯抽采框圖

4.1 采前瓦斯抽采

在6組煤可采區域，采用保護層開采技術利用底板巖巷網格式上向穿層鉆孔法抽采7＃煤層瓦斯，該方法可有效降低煤層瓦斯含量，徹底消除煤層的突出危險性；在6組煤不可采區域，利用底板巖巷網格式穿層鉆孔抽采煤巷條帶瓦斯，掩護煤巷的安全掘進，采用順層鉆孔抽采工作面開采區域瓦斯，消除工作面煤層的突出危險性，工作面實現了安全高效開采。

對于3＃煤層，煤層賦存穩定，隨著開采深度的增加煤層瓦斯壓力和含量逐漸加大，-550m 標高以深為突出危險區。由于煤層硬度較高，便于施工順層長鉆孔，在突出危險區的淺部 （-550～-650m）采用順層長鉆孔遞進掩護區域性瓦斯抽采方法，該方法已經在采區內推廣應用了3～4個工作面，應用效果良好，有效降低了煤層瓦斯含量和壓力，確保了工作面的安全高效采掘作業。煤巷平均掘進速度在300m／月以上，產量在15萬t／月以上。對于突出危險區的深部區域 （-650m 以深），煤層瓦斯壓力和含量進一步加大，突出危險性進一步增大，從鉆孔施工的安全性及瓦斯治理的效果方面考慮，將瓦斯治理方案調整為穿層鉆孔結合順層鉆孔的瓦斯抽采方法，穿層鉆孔抽采煤巷條帶瓦斯，掩護煤巷的安全掘進，順層鉆孔抽采工作面區域瓦斯，保證工作面的開采安全。

7＃煤層和3＃煤層的采前抽采效果見表3，通過采前抽采，煤層的瓦斯壓力降至0.74 MPa以下，煤層瓦斯含量降至8 m3／t以下，消除了煤層的突出危險性。6＃、10＃煤層由于本煤層瓦斯較小，不需要進行采前瓦斯抽采。

4.2 采中瓦斯抽采

采中瓦斯抽采主要是為了防止工作面上隅角瓦斯超限，確保工作面的安全生產，對于U 型通風工作面，最常用的為頂板走向穿層鉆孔抽采方法和采空區埋管抽采方法，在10＃煤層、7＃煤層、61＃煤層和3＃煤層工作面開采過程中都得到了很好的利用。在瓦斯涌出量大的7＃煤層和3＃煤層工作面還采用了上隅角插管瓦斯抽采方式，714工作面在開采過程中采用了井下水平長鉆孔瓦斯抽采方法，獲得了良好的效果。為提高采空區瓦斯抽采效果，在3＃煤層工作面，將采空區埋管抽采改為采空區長立管瓦斯抽采，采空區瓦斯抽采效果顯著增加。其他預抽措施的抽采工程在煤層開采過程中繼續發揮作用，在采動作用下進一步抽采煤層瓦斯，有效降低工作面瓦斯涌出量。

4.3 采后瓦斯抽采

對部分7＃煤層和3＃煤層封閉后的采空區進行了瓦斯抽采，為礦井的瓦斯電廠提供高濃度瓦斯。

4.4 瓦斯抽采效果

通過對礦井煤層采取綜合的瓦斯抽采措施，礦井瓦斯抽采量大幅度提高，安全生產形勢明顯改善，2005年以來杜絕了煤與瓦斯突出動力現象，2010年礦井平均瓦斯抽采率達62.4%，抽采瓦斯量2431萬m3，未出現瓦斯超限現象，實現了突出礦井的安全高效開采，安全生產原煤287萬t。

［1］ 俞啟香，王凱，楊勝強.中國采煤工作面瓦斯涌出規律及其控制研究［J］.中國礦業大學學報，2000 （1）

［2］ 俞啟香.礦井瓦斯防治 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1992

［3］ 王海鋒，程遠平等.近距離上保護層開采工作面瓦斯涌出及瓦斯抽采參數優化 ［J］.煤炭學報，2010（4）

［4］ 林柏泉，崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1998

［5］ 游浩，李寶玉，張福喜.陽泉礦區綜放面瓦斯綜合治理技術 ［M］.北京：煤炭工業出版社，2008

［6］ 楊存智.麻家梁礦特厚煤層綜放工作面瓦斯抽采方案優化 ［J］.中國煤炭，2013 （1）

［7］ 國家安全生產監督管理局，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

［8］ 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，2007

［9］ 程遠平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術的發展 ［J］.采礦與安全工程學報，2009 （2）