低瓦斯煤層高強度開采礦井瓦斯涌出特征及分源治理*

楊宏民，于士芹，梁龍輝，曾照民，裴冠朕

(1. 河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003;2.山西中煤華晉能源有限公司王家嶺礦，山西 河津 043300；3.煤礦災害預防與搶險救災教育部工程研究中心，河南焦作454003)

0 引言

低瓦斯礦井一般采用通風方式解決工作面瓦斯問題[1]，隨著采煤機械化程度和礦井生產能力的不斷提升，原來開采低瓦斯煤層的礦井也因高強度開采而升級為高瓦斯礦井，出現了一批低瓦斯煤層開采的高瓦斯礦井[2-5]。如山西中煤華晉能源有限公司王家嶺礦和延安市禾草溝煤礦，其煤層瓦斯含量一般不超過5.5 m3/t，但均存在回采工作面絕對瓦斯涌出量超過5 m3/min或上隅角瓦斯超限的危險。

王家嶺礦主采煤層為2號煤層，煤層原始瓦斯含量為3.19～5.41 m3/t，平均甲烷組分含量為37.08%[4]，屬低瓦斯煤層。但由于回采工作面設計日產量超過1.3萬t，高強度生產導致回采工作面絕對瓦斯涌出量超過7.66～18.51 m3/min[6]，是典型的低瓦斯煤層高強度開采導致的高瓦斯礦井。此類礦井由于煤層瓦斯含量低、透氣性小，煤層瓦斯抽采難度大，抽采效果不好，盡管實施了煤層增透措施，抽采效果也沒有得到明顯的改善。王家嶺礦綜放工作面采用單“U”型通風方式，上隅角瓦斯濃度最大在0.7%左右，頂板來壓時會出現瓦斯濃度報警的情況，嚴重威脅了礦井安全生產。

本文以王家嶺煤礦為例，通過對綜放工作面瓦斯涌出的實測數據分析，揭示該類礦井瓦斯涌出特征，并提出了針性的瓦斯抽采方法。

1 礦井概況

王家嶺煤礦設計生產能力6.0 Mt/a，主要含煤地層為二疊系下統山西組和石炭系上統太原組。山西組含煤4層，編號為1上，1，2，3號，其中1上和1號煤層為零星賦存，極不穩定；太原組含煤9層，編號為4，5，6，7，8，10，12號，可采煤層為2，3，7，10，12號煤層，目前礦井主采2號煤層，煤層均厚6.05 m，其主要鄰近煤層賦存情況如表1所示。開采方法為綜合機械化放頂煤開采，采高3.0 m，自然垮落法管理頂板。

根據2017年煤礦瓦斯涌出量鑒定結果，礦井絕對瓦斯涌出量17.77 m3/min，相對瓦斯涌出量1.44 m3/t，回采工作面絕對瓦斯涌出量5.62 m3/min，掘進工作面絕對瓦斯涌出量0.39 m3/min。主采2號煤層可解吸瓦斯含量僅有0.73～1.94 m3/t，是我國典型的低瓦斯煤層高強度開采導致的高瓦斯礦井，具有“低瓦斯含量、低透氣性，高開采強度、高瓦斯涌出”的“兩低兩高”特征。

表1 礦井可采煤層特征Tab.1 Characteristic of minable coal seam

2 低瓦斯煤層高強度開采工作面瓦斯涌出特征分析

采煤工作面瓦斯涌出包括鄰近層瓦斯涌出和本煤層瓦斯涌出，本煤層瓦斯涌出又包括落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出和采空區瓦斯涌出等。采煤工作面的采空區瓦斯涌出一般來源于采空區遺煤瓦斯和鄰近層及圍巖卸壓瓦斯。影響瓦斯涌出量的主要因素有自然因素和開采技術，自然因素主要包括煤層和圍巖的瓦斯含量，開采深度和地面大氣壓力的變化；開采技術因素主要包括開采順序與回采方法、回采速度與產量、落煤工藝與老頂來壓步距、通風壓力與采空區密閉質量、采場的通風系統等[7]。

2.1 采空區垮落卸壓前工作面瓦斯涌出量不大

一般認為，第一次周期來壓之前，頂板未整體垮落，圍巖和鄰近層的瓦斯由于未得到充分的卸壓而難以向采掘空間涌出，此時的瓦斯涌出可認為主要是開采層的瓦斯涌出；當頂板垮落后，圍巖和鄰近層得到了較充分的卸壓，產生大量的裂隙，其透氣性急劇增加。此時鄰近層和圍巖的瓦斯開始大量涌出到采煤工作面。因此基本頂來壓后的瓦斯涌出來源應包括開采層、圍巖和鄰近層的瓦斯涌出[8]。

通過對12318綜放工作面初采期瓦斯來源分析，工作面抽排瓦斯總量包括高位孔抽采量、上隅角抽采量與工作面風排瓦斯量的綜合，其隨工作面累計進尺的變化關系如圖1所示。

圖1 綜放工作面絕對瓦斯涌出量變化規律Fig.1 Laws of absolute gas emission rate in folly-mechanized top coal caving mining face

根據12318工作面最初240 m生產的現場實測資料，工作面初次來壓步距為50 m。由圖1可以看出，在基本頂垮落之前，即從開始回采至基本頂首次跨落的50 m范圍內，抽排瓦斯量由最初不足0.6 m3/min逐漸增加到最大值3.7 m3/min，并基本維持在3.0 m3/min左右，符合低瓦斯礦井回采工作面瓦斯涌出不超過5.0 m3/min的條件。

工作面推進超過50 m后，由于基本頂跨落，頂板圍巖得到充分的卸壓，鄰近層瓦斯從裂隙通道涌出，同時采空區遺煤瓦斯也涌入頂板裂隙中，此時工作面抽排瓦斯量顯著增加至6.68 m3/min，并維持在平均值5.28 m3/min左右，此時已經達到了高瓦斯礦井的條件。

工作面基本頂垮落前后的瓦斯涌出量之差即為裂隙層瓦斯涌出量，即2.28 m3/min。由于3號煤層距開采層平均距離僅有2.24 m，最大瓦斯含量為4.47 m3/t，因此它是鄰近層瓦斯涌出的主要構成部分。

根據AQ1018-2006《礦井瓦斯涌出量預測方法》，回采工作面、開采層和鄰近層瓦斯涌出量分別按公式(1)～(3)計算。

q采=q1+q2

(1)

(2)

(3)

式中:q采為回采工作面相對瓦斯涌出量，m3/t；q1為開采層相對瓦斯涌出量，m3/t；k1為圍巖瓦斯涌出系數，取1.2；k2為工作面丟煤瓦斯涌出系數，取1.15；k3為采區巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出的影響系數，經計算為0.88；m0和M分別為開采煤層厚度和采高，均取平均厚度6.05 m；W0和Wc分別為開采煤層原始瓦斯含量和殘存瓦斯含量，取對應位置實測值3.19 m3/t和2.18 m3/t；q2為鄰近層瓦斯涌出量，m3/t；mi為第i鄰近層煤層厚度，m；W0i和Wci分別為第i鄰近層原始瓦斯含量和殘余瓦斯含量，m3/t；ηi為第i鄰近層瓦斯排放率。

經計算工作面相對瓦斯涌出量為1.53 m3/t，其中本煤層為1.22 m3/t，鄰近層為0.31 m3/t，其中3號煤層瓦斯涌出量為0.20 m3/t，占鄰近層瓦斯涌出總量的工作面總涌出量的64.5%。按工作面日均產量約13 000 t計算，則工作面絕對瓦斯涌出量13.85 m3/min，其中本煤層為11.29 m3/min，鄰近層2.78 m3/min。

瓦斯涌出量預測結果與現場瓦斯涌出量數據分析結果基本吻合。

2.2 煤壁瓦斯涌出量較大

為了考察工作面生產班、檢修班在煤壁、落煤等地點和生產環節的瓦斯涌出，在工作面進回風巷布置了相應的測風斷面(見圖2)，對巷道風流中的瓦斯濃度及瓦斯涌出量進行了現場跟蹤考察。

圖2 12318工作面測風點布置示意Fig.2 Schematic diagram of air flow measuring section arrangement in No.12318working face

通過對每段巷道瓦斯濃度和涌出量進行統計得出，考察期內工作面最大風排瓦斯量為5.88 m3/min，回風巷平均每100 m長度的巷道煤壁的瓦斯涌出量為0.063 7 m3/min，按2條1 300 m的進回風巷煤壁和300 m工作面煤壁計算，煤壁瓦斯涌出量為1.85 m3/min，占生產班平均風排瓦斯量的31.46%。

可見煤壁瓦斯涌出是王家嶺礦的綜放工作面主要瓦斯涌出來源。

2.3 采放落煤-運煤瓦斯涌出為主要瓦斯來源

生產班和非生產班的生產工藝差異是非生產班少了一道采放落煤和運煤工序，因此其瓦斯涌出量差異即為采放落煤-運煤瓦斯涌出量[8]。

現場跟蹤測定了6個生產班和6個檢修班的風量和風流瓦斯濃度。現場考察結果非生產班平均風排瓦斯量為2.32 m3/min，生產班平均風排瓦斯量為5.88 m3/min，二者之差就是采放落煤、運煤瓦斯涌出量，其平均值為3.56 m3/min。

可以看出風排瓦斯量中，采放落運煤瓦斯涌出量占總風排瓦斯涌出量的60.5%，為主要的瓦斯涌出來源。

2.4 采取卸壓瓦斯抽采后回采面回風流瓦斯較低

現場考察了2017年3月份12318工作面風排瓦斯情況，如圖3所示。由于煤層原始瓦斯含量較低，采取瓦斯抽采措施后工作面回風流瓦斯濃度較低，通常非生產班不超過0.25%，平均在0.15%左右，生產班不超過0.34%，平均為0.25%。工作面風排瓦斯涌出量達到了高瓦斯礦井的標準，非生產班最大為6.0 m3/min，平均為3.46 m3/min，生產班最大為7.84 m3/min，平均為5.72 m3/min。

圖3 12318工作面風流瓦斯涌出規律Fig.3 Lows of gas emission in return current of No.12318 working face

2.5 上隅角瓦斯涌出不容忽視

根據上隅角范圍大小，按照近似正方形原則均勻布設測點，以工作面支架與回風順槽內壁的交點為基點，布置網絡測點，測點間距為1.5 m，如圖4所示。

圖4 上隅角測點布置情況Fig.4 Layout of measuring points at upper corner

2017年5月19日—6月6日，對王家嶺礦12318工作面上隅角濃度分布點進行了連續跟蹤考察，生產班和檢修班的測定結果如圖5所示。

圖5 上隅角瓦斯濃度分布Fig.5 Gas concentration distribution in the upper corner of the production shift

從上隅角瓦斯分布來看，都存在靠近采空區一側瓦斯濃度較高，靠近回風巷一側瓦斯濃度較低的總體規律。

對比生產班與非生產班來看，生產班上隅角瓦斯濃度總體上比非生產班要高出40%以上，尤其是機組割煤至靠近上隅角的5～10部架子時，上隅角瓦斯濃度可高達0.7%～0.9%，直逼超限警戒。

可見低瓦斯煤層在高強度生產條件下，雖然工作面巷道風流瓦斯濃度較低，不存在瓦斯超限的危險，但是上隅角仍然存在超限報警的可能性。因此，上隅角是該類礦井瓦斯防治的重點區域。

3 低瓦斯煤層高強開采瓦斯抽采措施分析

綜放工作面瓦斯防治常采用加強通風的方法解決工作面瓦斯涌出問題[9]，隨著煤礦開采深度的增加、綜合機械化放頂煤開采強度大和生產集中，使采煤工作面瓦斯涌出表現出了強度高、數量大和極不均衡等特點，同時綜放工作面由于采高較大、走向長度較長、推進速度較快，因而形成較大面積的采空區，在頂板周期來壓時，常造成采空區瓦斯富集和上隅角瓦斯超限[8]。通過瓦斯來源分析可知，綜放工作面瓦斯主要來源為本煤層落運煤、采空區遺煤釋放出的瓦斯和鄰近層卸壓瓦斯涌出，而未卸壓的原始煤層的煤壁瓦斯涌出量較小。

鑒于主采2號煤層瓦斯含量小、透氣性差，建議王家嶺礦綜放工作面采取以卸壓瓦斯抽采為主的綜合防治措施。

3.1 本煤層瓦斯抽采收效不大

王家嶺礦以前實施過本煤層瓦斯抽采措施，即在工作面垂直于回風巷壁施工順層鉆孔預抽煤層瓦斯，由于煤層原始瓦斯含量較小，可解吸瓦斯量不大，加之在煤層透氣性不好，導致本煤層瓦斯預抽效果非常不好，使得這種措施投入大、收效微。盡管也嘗試了煤層增透措施，但由于煤層瓦斯含量小，增透后的抽采效果也不盡人意。

因此，低瓦斯煤層開采時，應盡量不要采用本煤層瓦斯預抽的方法。

3.2 卸壓瓦斯抽采是解決問題的根本途徑

既然低瓦斯煤層高強度生產的礦井存在上隅角瓦斯治理問題，而通過本煤層預抽瓦斯又很難降低煤層瓦斯含量，那么只能將瓦斯治理的重點放在卸壓瓦斯抽采上來。

采空區冒落后，圍巖得到充分的卸壓，在采動影響下，煤層的頂板和底板的圍巖會產生裂隙，造成鄰近煤層的卸壓，產生大量卸壓瓦斯，而瓦斯直接通過裂隙進入采空區[10]。

卸壓瓦斯抽采主要包括采空區(含上隅角)卸壓瓦斯抽采、頂板卸壓區瓦斯抽采、工作面超前卸壓帶瓦斯抽采等。

采空區瓦斯抽采主要有采空區埋管抽采、尾巷抽采、鉆超抽采以及地面井抽采等。

頂板卸壓區瓦斯抽采主要有高位抽采瓦斯巷道[11](簡稱高抽巷)抽采、傾斜走向高位鉆孔抽采[12]、走向水平定向長鉆孔抽采等。高抽巷由于巷道支護和維修困難，存在頂板冒落導致高濃度瓦斯燃燒或爆炸的危險，目前基本上不再采用。隨著定向長鉆孔鉆進和成孔技術的發展和成熟，高抽巷逐漸被高位定向水平鉆孔簇所替代，并在不斷的摸索過程中發揮了越來越顯著的作用。傾斜高位走向鉆孔存在隨工作面推進鉆孔層位不斷下降而導致鉆孔提前失效的問題，目前使用率也大幅度下降。

4 低瓦斯煤層卸壓瓦斯抽采效果分析

王家嶺礦采取了以走向水平定向長鉆孔抽采頂板卸壓瓦斯和采空區埋管抽采采空區瓦斯的抽采模式。

4.1 高位水平長鉆孔抽采裂隙帶卸壓瓦斯

12318綜放工作面在回風側實施了高位水平長鉆孔抽采裂隙帶卸壓瓦斯的措施。高位水平長鉆孔終孔布置在煤層頂板上部的裂隙帶內，主要截抽鄰近層因頂板垮落卸壓而涌入裂隙區的游離瓦斯，并通過抽采因上浮作用進入頂板裂隙帶的瓦斯，進一步影響采空區上隅角區域的流場分布。達到抽采裂隙帶、采空區和鄰近層中大量瓦斯的目的[13-16]。

在開采初期，為了有效控制工作面初采期間的瓦斯，回采之前在距開切眼170 m處的回風巷1號鉆場內施工了2個高位定向鉆孔，其最高垂直層位位于煤層頂板以上12～14 m之間，終孔超過切眼距離40 m左右后向下沉降進入煤層。在距1號鉆場220 m處的2號鉆場內施工了3個高位定向鉆孔，鉆孔垂直層位位于2號煤層頂板上19～35 m之間，鉆孔水平位置距回風巷10～30 m。之后每隔300～400 m布置一個高位鉆場，鉆場內施工4個高位定向鉆孔，鉆孔層位為20～45 m，水平位置距回風巷7～61 m，相鄰2個鉆場鉆孔水平搭接長度為60 m。高位鉆孔整體高度在后期的7～9號鉆場內逐漸調高。高位水平長鉆孔布置如圖6所示，抽采效果如圖7所示。

圖6 工作面高位定向鉆孔布置示意Tab.6 Schematic diagram of high directional drilling layout in working face

圖7 8號鉆場高位定向鉆場瓦斯抽采純量Fig.7 Pure gas quantity of drainage by high directional level borehole in No.8 drill site

根據現場觀測數據，8號鉆場內的4個走向高位水平定向長鉆孔抽采瓦斯混合總量平均為51.10 m3/min，最大為75.76 m3/min；抽采純瓦斯總量平均為1.33 m3/min，最大時達到2.82 m3/min。

圖7中，當工作面推進到7月12日前后時，抽采量出現突增現象，這是由于定向鉆孔施工時，在此位置附近發生嚴重塌孔，被迫在后面重新施工分支孔。工作面推進到該位置時塌孔段透開，存在與多條分支孔同時抽采的情況，推過該區域后抽采量恢復正常。抽采雖然高位定向鉆長抽采卸壓瓦斯的總量不多，但較大的抽采混合流量將在一定程度上影響上隅角上部附近的流場分布，對預防上隅角瓦斯超限具有一定的意義。

4.2 上隅角埋—插管抽采瓦斯

對于“U”型工作面來說，上隅角瓦斯積聚是瓦斯防治工作的重點，通常采用上隅角預埋抽采管路，低抽采負壓大流量的抽采采空區瓦斯方式。埋管抽采后在上隅角后部采空區形成一個負壓區，以影響和改變該區域內瓦斯流場狀態，最大限度地減小和阻止采空區瓦斯從上隅角流出，可以避免工作面上隅角處局部區域因風流不暢引起的瓦斯積聚。

考慮到上隅角受巷道支護的影響難以及時垮落，在埋管抽采口剛進入采空區未垮落區時，埋管基本上處理“放空”狀態，抽采負壓對采空區流場影響程度較小，此時上隅角瓦斯涌出難以避免，為了防止瓦斯積聚，在上隅角還布置了輔助抽采插管，目的是最大限度地收集上隅角涌出的瓦斯。

上隅角埋管-插管抽采方法如圖8所示。

圖8 上隅角瓦斯抽采方法Fig.8 Method of gas drainage in the upper corner

選擇檢修班和生產班，對綜放工作面上隅角瓦斯抽采效果進行測定和分析，測定數據如表2所示。

表2 綜放工作面上隅角瓦斯濃度Tab.2 Gas concentration of upper corner in folly-mechanized top coal caving face

根據表2，生產班上隅角抽排瓦斯量為1.86～3.37 m3/min，平均為2.83 m3/min；非生產班上隅角瓦斯抽排量為2.04～2.64 m3/min，平均為2.30 m3/min。可以看出，生產班受放煤、移駕和頂板冒落的影響，上隅角瓦斯抽采純量明顯比非生產班大。其中，上隅角埋管-插管瓦斯抽采效果如圖9所示。

圖9 上隅角埋管-插管瓦斯抽采效果Fig.9 Effect of gas drainage from the upper corner by

由圖9可以看出，上隅角埋管最大抽采純量為1.02 m3/min，平均為0.75 m3/min；插管最大抽采純量為0.32 m3/min，平均為0.16 m3/min；上隅角總管最大抽采純量為1.30 m3/min，平均為0.91 m3/min。埋管平均抽采濃度為1.07%，插管平均抽采濃度為0.41%。從抽采效果看，埋管抽采量占82.7%，插管抽采量占17.3%。

5 結論

1)低瓦斯煤層高強度開采時，一般回風流瓦斯濃度不大，通風容易解決，具有卸壓前瓦斯涌出量小、煤壁瓦斯涌出不大的特征，落煤放煤和上隅角是瓦斯防治工作的重點。

2)低瓦斯煤層高強度開采時，一般采用本煤層抽采方法效果不佳，卸壓瓦斯抽采是此類礦井瓦斯防治的關鍵。

3)對王家嶺礦來說，采用高位定向鉆孔抽采頂板卸壓瓦斯，埋管-插管抽采相結合的方法抽采上隅角瓦斯是必要和有效的。

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