大采高綜采面高瓦斯綜合治理技術(shù)優(yōu)化研究

劉曉輝

（呂梁市煤礦通風(fēng)與瓦斯防治中心，山西 呂梁 033000）

高瓦斯礦井采用大采高綜采工藝，回采時(shí)容易引起工作面瓦斯超限，帶來瓦斯突出、爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。瓦斯的高效抽放治理是高瓦斯煤礦安全高效開采的前提。厚及特厚煤層采用大采高綜采時(shí)，工作面短時(shí)間內(nèi)釋放大量瓦斯，同時(shí)工作面來壓時(shí)垮落頂板擠壓采空區(qū)使得工作面極易產(chǎn)生瓦斯超限現(xiàn)象[1]?；夭晒ぷ髅嫱咚官x存的應(yīng)力環(huán)境十分復(fù)雜且受采動(dòng)影響[2-3]，現(xiàn)有瓦斯治理技術(shù)間的不匹配影響，已有研究成果的應(yīng)用受到限制，瓦斯治理效果不理想，有關(guān)瓦斯運(yùn)移儲(chǔ)運(yùn)理念和綜合治理技術(shù)需進(jìn)一步研究。

本文以山西寨崖底煤礦901工作面為研究對(duì)象，采用理論分析研究了瓦斯運(yùn)移和儲(chǔ)運(yùn)規(guī)律，提出由U+I型通風(fēng)、順層抽采和高抽巷抽采組成的瓦斯綜合治理和協(xié)同優(yōu)化技術(shù)。以期實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽放，提高工作面安全性，為類似瓦斯治理提供參考。

1 生產(chǎn)地質(zhì)條件

山西寨崖底煤礦屬于高瓦斯礦井，主采9號(hào)煤層平均厚度5.51m，上方31.49m處為4號(hào)煤層，煤層厚度為0.56m，瓦斯含量為5.42m3/t；上方37m處為3號(hào)煤層，煤層厚度為1.29m，瓦斯含量為5.08m3/t；下方9.05m處為10號(hào)煤層，煤層厚度為0.3m，瓦斯含量約為5m3/t。901工作面采用大采高綜采工藝，循環(huán)進(jìn)度0.8m，日進(jìn)尺5.6m。

根據(jù)分源法901大采高綜采工作面瓦斯相對(duì)涌出量為16.55m3/t，工作面日產(chǎn)8000t/d時(shí)的絕對(duì)瓦斯涌出量預(yù)計(jì)91.94m3/min，現(xiàn)場(chǎng)工作面日產(chǎn)量8153.6t/d，即絕對(duì)瓦斯涌出量預(yù)計(jì)達(dá)93.71m3/min。工作面采用常規(guī)一進(jìn)一回布置通風(fēng)系統(tǒng)，回采中極易導(dǎo)致局部瓦斯超限和瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)。因此，必須采取有效的綜合抽采瓦斯治理措施。

2 采動(dòng)卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究

采動(dòng)卸壓瓦斯來源：一是開采煤層本身的卸壓瓦斯；二是開采層周圍煤系地層（鄰近層）中的卸壓瓦斯[4]。9號(hào)煤層的開采會(huì)破壞本煤層及鄰近煤層應(yīng)力平衡，使得應(yīng)力重新分布，煤層回采后將進(jìn)一步引起頂板破壞塌落，在煤層上方形成裂隙帶和垮落帶，給瓦斯的運(yùn)移提供了良好的應(yīng)力環(huán)境和通道，瓦斯的運(yùn)移和儲(chǔ)集如圖1所示。

圖1 瓦斯的運(yùn)移與儲(chǔ)集

9號(hào)煤層開采后，在頂板上方12.25～51.92m處形成大量離層裂隙，為瓦斯的存儲(chǔ)提供了空間，9號(hào)煤層開采后形成低壓區(qū)，10號(hào)、12號(hào)和13號(hào)煤層中積聚瓦斯將以9號(hào)煤層采空區(qū)為積聚場(chǎng)所，通過回采形成裂隙通道向9號(hào)煤層匯集，形成瓦斯富集區(qū)域。

3 瓦斯綜合治理技術(shù)優(yōu)化

高瓦斯礦井為減少瓦斯威脅，可采用以下技術(shù)路徑：（1）增大瓦斯稀釋排放，對(duì)于回采中涌入工作面的瓦斯可以采用增大供風(fēng)，減小巷道通風(fēng)系統(tǒng)阻力；（2）積極采取預(yù)抽采和抽采，在煤層中布置抽采鉆孔、管路和專門的抽采巷道，來減少涌入工作面的瓦斯總量；（3）預(yù)防監(jiān)測(cè)，對(duì)工作面瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，預(yù)防發(fā)生瓦斯突出及沖擊地壓。

901大采高綜采工作面具體的瓦斯治理技術(shù)措施為：

（1）采用U+I型通風(fēng)系統(tǒng)；

（2）順層鉆孔抽采本煤層瓦斯；

（3）頂板走向高抽巷抽采瓦斯。

3.1 采用U+I型通風(fēng)系統(tǒng)

通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，9號(hào)厚煤層采用大采高綜采時(shí)極易出現(xiàn)短時(shí)內(nèi)瓦斯大量涌出現(xiàn)象。這是因?yàn)槊簩雍穸却螅瑒兟涞拿簩又写罅客咚顾矔r(shí)被釋放，同時(shí)鄰近煤層瓦斯通過裂隙帶通道進(jìn)入本煤層，針對(duì)鄰近層瓦斯涌出、本煤層瓦斯涌出情況，工作面布置內(nèi)錯(cuò)瓦斯尾巷一進(jìn)兩回U+I型通風(fēng)方式，如圖2所示。

901工作面運(yùn)輸巷和軌道巷分別作為進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷，同時(shí)在靠近回風(fēng)巷、煤層中布置內(nèi)錯(cuò)尾巷作為回風(fēng)巷。內(nèi)錯(cuò)尾巷可以減小上隅角風(fēng)壓，充分抽采該處積聚瓦斯，同時(shí)控制煤層及鄰近層瓦斯涌入。

圖2 901工作面U+I型通風(fēng)系統(tǒng)圖

3.2 順層鉆孔抽采本煤層瓦斯

如圖3所示，布置順層鉆孔抽采本煤層瓦斯[5]，主要由預(yù)先采和正常采兩個(gè)階段。預(yù)先采是指在工作面順槽完成掘進(jìn)支護(hù)后即布置本煤層抽采鉆孔和抽采管路，進(jìn)行回采前煤層的抽放。正常采是指工作面開始回采，未破壞的本煤層鉆孔隨回采進(jìn)行卸壓帶內(nèi)瓦斯抽放，一般抽放點(diǎn)超前工作面30～40m以此來減少工作面瓦斯涌出量。

圖3 本煤層鉆孔布置示意圖

鉆孔布置：工作面傾斜長度為220m，鉆孔間距2m，距離回風(fēng)巷底板1.5～2m，孔深120m，孔徑Φ98mm。鉆孔采用EH1400-60履帶式全液壓坑道鉆機(jī)施工，均用Φ98mm大直徑鉆頭施工，使用聚胺脂封孔，使封孔深度達(dá)到8～10m，同時(shí)布置管路作為抽采出的瓦斯運(yùn)移通路。

3.3 頂板走向高抽巷抽采瓦斯

設(shè)計(jì)頂板走向高抽巷長度為1066m，前30m為大斷面掘進(jìn)，后1036m為小斷面掘進(jìn)。高抽巷開口沿高抽準(zhǔn)備巷平掘30m，以10°的坡掘進(jìn)112.1m至K4石灰?guī)r，沿K4石灰?guī)r下部巖層掘進(jìn)923.9m至后高抽巷。平行工作面順槽布置，其中距回風(fēng)巷水平50m，矩形斷面尺寸為2.5m×2.4m，錨網(wǎng)索支護(hù)。布置的高抽巷用于預(yù)抽采本煤層頂板裂隙帶及鄰近煤層中瓦斯，減少工作面瓦斯涌出量。

結(jié)合山西寨崖底煤礦條件，實(shí)施瓦斯綜合治理技術(shù)，對(duì)9號(hào)煤瓦斯涌出情況測(cè)定，得到風(fēng)排瓦斯量Qg、瓦斯涌出量Qh和抽采率，進(jìn)行運(yùn)移規(guī)律分析和治理效果評(píng)價(jià)。

（1）風(fēng)排瓦斯量Qg，m3/min：

式中：

Q-風(fēng)量，m3/min；

C-風(fēng)流中平均瓦斯?jié)舛龋?。

（2）瓦斯涌出量Qh，m3/min：

式中：

k1-圍巖瓦斯涌出系數(shù)；

k2-工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)；

k3-采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)開采層瓦斯涌出影響系數(shù)；

m-開采層厚度，m；

M-工作面采高，m；

w0-煤層原始瓦斯含量，m3/t；

wc-運(yùn)出礦井后煤的殘存瓦斯含量，m3/t。

（3）抽采率

式中：

Qkc-當(dāng)月礦井平均瓦斯抽采量m3/min；

Qkf-當(dāng)月礦井風(fēng)排瓦斯量m3/min；。

4 工作面瓦斯綜合防治效果分析

2017年1月2日至2017年2月27日期間，901工作面進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，選取15d實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)帶入式1～式3計(jì)算后分析得到如圖4所示瓦斯變化：在正?；夭呻A段配風(fēng)量為3078m3/min，回風(fēng)巷、尾巷瓦斯平均濃度分別為0.265%和 0.833%，平均風(fēng)排瓦斯量14.638m3/min左右，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量平均為94.751m3/min。按工作面絕對(duì)瓦斯涌出總量最大值132.019m3/min計(jì)算，工作面的平均瓦斯抽采總量109.976m3/min，平均瓦斯抽采率為83.3%≥70%，滿足采煤工作面瓦斯抽采率的規(guī)定，可見提出的瓦斯綜合治理措施有效。

表1 正常回采期間901工作面瓦斯實(shí)測(cè)表

圖4 901工作面正?；夭善陂g瓦斯變化

5 結(jié)論

（1）受高強(qiáng)度回采影響，高瓦斯大采高綜采工作面在離層裂隙中易形成瓦斯富集區(qū)域，引起瓦斯超限。

（2）針對(duì)瓦斯賦存特征和運(yùn)移規(guī)律，提出U+I型通風(fēng)、順層鉆孔抽采本煤層瓦斯和走向高抽巷抽采的綜合治理技術(shù)，旨在增強(qiáng)采空區(qū)、本煤層和頂板裂隙帶內(nèi)瓦斯抽放效果。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明采用綜合治理技術(shù)后工作面瓦斯?jié)舛?、絕對(duì)瓦斯涌出量減小，瓦斯抽采量、抽采率明顯增大，瓦斯超限得到有效控制。