高瓦斯綜放采煤工作面瓦斯抽采技術研究與應用

冀中能源峰峰集團辛安礦 河北 邯鄲 056200

1 研究背景

隨著采煤產量的提高以及瓦斯涌出量的增加，抽采瓦斯方法出現了相應的變化，雖然從形式上看抽采瓦斯方法并沒有出現新的方法，但從實質內容上看確有許多創新之處。我國雖然在瓦斯治理上嚴格執行“通風可靠，抽采達標、監控有效、管理到位”十六字瓦斯治理方針，以完善通風系統為前提，實施“可保盡保，應抽盡抽”的瓦斯綜合治理戰略，但煤礦瓦斯事故仍頻繁發生。隨著礦井不斷向深部開采，煤層瓦斯含量愈來愈高，壓力愈來愈大，瓦斯問題已成為制約礦井安全生產的“瓶頸”，必須從瓦斯綜合治理上找到適合礦井深部煤層開采的瓦斯治理方法和手段，從根本上治理瓦斯才能保證礦井安全高效生產。

2 礦井概況

峰峰集團有限公司辛安礦（原峰峰集團有限公司黃沙礦）于1970年4月10日在黃沙井田開工建設，1971年10月1日投產，設計生產能力30萬噸/年。后經一系列技術改造，2017年核定生產能力150萬噸/年。礦井開采煤層為2#煤層，采用走向長壁后退式采煤方法，綜采放頂煤采煤工藝。

礦井開拓方式為斜、立井多水平兩翼上下山開拓方式。有五個進風井，分別為主斜井、皮帶斜井、副斜井、辛安南副井、辛安風井，兩個回風井，辛安南風井和黃沙風井。辛安礦現共有四個水平，即+32m水平、-100m水平、-280m水平、-500m水平。+32m和-100m水平(黃沙井田)已注銷生產能力，目前主要生產地區集中在辛安井田的-500m水平。開采主要煤層為：2#煤(大煤)。

河北省煤管局“冀煤安辦〔2008〕47號”批復我礦為高瓦斯礦井，礦井絕對瓦斯涌出量為19.96m3/min，相對瓦斯涌出量為13.54m3/t。

礦井所采2#煤為三類不易自燃煤層，煤塵爆炸指數為29.52%，煤塵具有爆炸性。

3 研究內容

3.1 主要研究內容 綜放采煤工作面瓦斯涌出受采空區空間、工作面推進速度及時間、瓦斯地質條件等多種因素影響，具有不均衡性和多變性的特點，給采煤工作面生產期間的瓦斯管理和瓦斯防治帶來了極大地困難，嚴重影響著礦井的安全生產。在生產實踐中，對采煤工作面瓦斯涌出特點和周期進行了認真的研究與分析，主要利用工作面上隅角埋管、高頂鉆孔瓦斯抽采、工作面煤壁抽采等措施解決工作面上隅角及回風巷道內瓦斯超限問題，探索出一套有針對性綜合瓦斯抽采治理技術，為我礦瓦斯治理工作奠定了堅實的基礎。

(1)工作面上隅角埋管。隨著采面的推進，大量的瓦斯積聚在采空區及其上方和上隅角附近，受工作面回風巷回風負壓影響，致使瓦斯不斷向工作面上隅角和回風巷涌出，針對這個問題采取將抽放管安裝在上隅角里側，利用抽放泵形成的負壓作用，采空區內積聚的高濃度瓦斯就會不斷地沿著抽放管路流動，實現瓦斯的分流，減少采空區瓦斯向上隅角及回風巷的涌出，有效降低風流中瓦斯濃度，達到減少風排瓦斯量的目的。

(2)優化高頂鉆孔

①高位鉆孔層位布置。為摸索高頂鉆孔終孔位置，我礦使用YSZ100型號礦用隨鉆軌跡測量儀對高頂鉆孔進行測斜，建立三維坐標，模擬出實際鉆孔軌跡，與設計對比總結出鉆孔偏斜規律，調整高頂鉆孔設計方位及傾角，使鉆孔終孔達到設計位置。通過高頂鉆孔測斜數據及抽采效果分析，總結出采煤工作面上覆巖層冒落高度3-5m，裂隙帶高度15-25m。根據礦山壓力理論認為，煤層隨工作面回采推移，由于受到采動壓力的影響，在采空區沿垂直方向由下而上分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶三個帶，沿工作面推進方向(走向)及傾斜方向分為煤壁支撐影響區、離層區、重新壓實區三個區，同時在工作面前方則會形成壓力降低區、壓力增高區和壓力穩定區三個區。工作面回采會導致上覆巖層卸壓，并在采空區上方形成“O”形圈裂隙，由于風流壓差的作用，形成的瓦斯會隨風流動和運移。采空區卸壓釋放的瓦斯一部分隨著采空區漏風到工作面被風流帶走，還有大量瓦斯在浮升力的作用下沿裂隙帶向高部運移，在靠近回風巷側頂部一定的高度范圍內，能夠長期貯存。根據瓦斯涌出來源及采空區瓦斯運移規律，通過在工作面上部頂板巖層裂隙帶施工高位抽采鉆孔(高位抽采鉆孔瓦斯抽采又稱頂板裂隙帶抽采)，以工作面回采采動壓力形成的頂板裂隙作為通道來對工作面煤壁及采空區涌出的瓦斯進行抽采，從而達到減少工作面采空區瓦斯積存量，降低工作面后溜及切頂線附近瓦斯濃度，避免工作面上隅角瓦斯超限的目的。

②高頂鉆孔定位。高頂鉆孔在開孔前，使用YHZ90/360礦用本安型鉆機開孔定向儀，該設備高精度角度傳感器來測定鉆機的方位角和傾斜角度，為鉆機選定開孔位置進行準確定位，在可控的范圍內提高鉆孔精度。

(3)初采期間工作面煤壁本煤層瓦斯抽采。工作面初采期間由于頂板來壓跨距大，高位鉆孔施工位置較高，頂板裂隙不充分，高位鉆孔抽采效果較差，針對此問題，采取在工作面煤壁打超前本煤層瓦斯抽放孔，進行本煤層瓦斯抽采，減少本煤層中的瓦斯含量，達到機組割煤落煤期間風量中瓦斯濃度及老空區的瓦斯的積存量。

(4)受地質構造影響，采空區垮落程度不一，裂隙帶范圍難以預測。通過對高頂鉆孔抽采效果分析，確定高頂鉆孔最佳抽采層位。根據影響抽采效果因素分析，煤層頂板在形成離層裂隙的瓦斯通道后抽采起作用，從而研究分析內容是如何將高頂鉆孔終孔位置施工至裂隙帶范圍內，主要從以下幾方面入手：①.對高頂鉆孔進行測斜，摸索鉆孔施工軌跡，確定高位鉆孔終孔位置。②.針對地質構造破碎帶，優化高頂鉆孔施工工藝。③.研究有效抽采范圍，確定鉆場交替抽采期間壓茬距離。④.通過對抽采效果分析，確定出該工作面上覆巖層裂隙帶高度。

3.2 高頂鉆孔在施工期間遇到的問題及解決辦法

(1)工作面過鉆場期間，上隅角瓦斯超限問題?，F象描述：每到工作面推至鉆場里外5米期間，工作面上隅角局部出現瓦斯超限現象，回風流瓦斯濃度出現不同程度的增高。

解決辦法：在每個鉆場內補充兩個控制上隅角的低位鉆孔，鉆孔終孔位置越過上個鉆場10m，終孔位于大煤頂板10m，保證工作面過鉆場期間兩個低位孔大流量抽取上隅角附近積聚的高濃瓦斯。

(2)鉆孔遇地質構造帶出現塌孔、孔不返水、施工困難等問題。

解決辦法：1.鉆場及鉆孔布置位置盡量避開地質構造帶范圍內，如果避開困難，把地質構造帶處于孔口10～30m以內最佳。2.施工期間采用三棱鉆桿鉆進，因三棱鉆桿空隙大在施工地質構造破碎帶時能更好的排出孔內巖粉。待拔桿后及時下封孔管，把地質構造帶范圍內全部下管支撐，保證鉆孔抽采流量。

(3)打鉆期間使用循環水，水質差出現堵孔現象。

現象描述，鉆孔由測斜得知施工20～30m以后，鉆孔都有不同程度的向下傾斜現象，特別是鉆孔傾角小于+8°施工時，鉆孔呈拋物線狀態更為嚴重，鉆孔底部20～30米相對孔口基本接近水平甚至負度數現象，如果不能保證施工期間的循環水水質，待拔桿以后，水內沉淀巖粉不同程度的堵鉆孔底部及孔中間部位。

解決辦法：使用循環水打鉆期間保證水質，減少循環水內的巖粉，特別是在拔桿前用清水徹底沖洗鉆孔，保證孔內巖粉沖洗干凈。

(4)鉆孔鉆進速度過快導致實際終孔位置與設計終孔位置偏差大。

解決辦法：施工鉆孔期間保證勻速鉆進，鉆機給進壓力不易太大，特別是在巖性較軟及地質構造帶附近。

3.3 鉆孔精準定位 采空區上覆巖層裂隙帶范圍無法確定，傳統的高頂鉆孔終孔布置層位單一，有效抽采范圍較小，單孔抽采效果差異很大，我礦目前施工高頂鉆孔采用ZDY-3200動力頭式全液壓坑道鉆機，鉆機精準度差，很難將鉆孔施工到設計位置等缺點。為提高鉆機精度，我礦使用YSZ100型號礦用隨鉆軌跡測量儀對高頂鉆孔進行測斜，建立三維坐標，模擬出實際鉆孔軌跡，與設計對比總結出鉆孔偏斜規律，通過調整高頂鉆孔設計方位及傾角使鉆孔終孔達到設計位置。

我礦對高頂鉆孔終孔層位進行了優化將原先的兩層布置方法，改為“三層位”布置法，將終孔設置成高中低不同層位，使單孔抽采有效范圍增大，同時更好的布置壓茬間距，遠距離抽采主要依靠下排鉆孔，隨著采煤工作面不斷推進，中上排鉆孔逐漸起到抽采作用。

4 效益分析

隨著煤礦企業的大力開采，導致煤礦開采過程中的瓦斯事故屢見不鮮，開采人員的生命安全受到嚴重威脅。如何杜絕瓦斯事故的發生成為煤礦企業關注的重點，“先抽后采、邊采邊抽”作為一種先進的瓦斯治理方法，能保證煤礦的安全開采，促進煤礦行業安全持續的發展，不斷提高煤礦行業的社會效益。確保采煤工作面原煤產量。