高瓦斯綜放工作面瓦斯抽采綜合技術的研究

張建為

（山西澤州天泰能源有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

根據不完全的數據統計，在我國目前的國有及大中型重點煤礦企業中，高瓦斯礦井占到49.8%左右的比例。瓦斯涌出量過大以及煤與瓦斯突出成為了影響煤礦企業生產安全的最大隱患。因此，一些企業及科研單位在研究及生產過程中，采取了瓦斯抽采技術來提高生產空間內的瓦斯抽采率，在不同程度上有效改善了瓦斯突出的狀況并減少了作業時的瓦斯涌出量[1-2]。但是目前來說，瓦斯抽采技術體系未達到成熟狀態，依然存在著許多薄弱環節以及隱患問題。例如，井下瓦斯抽采技術所配備的機械設備不足、抽采率偏低等。大部分煤礦的井下瓦斯抽采率還不足30%，瓦斯災害情形依然嚴峻[3]。因此，本文對高瓦斯綜放工作面的瓦斯抽采綜合技術及各自的適用范圍進行研究，結合山西澤州天泰坤達煤業有限公司3205 綜放放頂煤工作面的具體實際，提出合理有效的瓦斯綜合治理體系，為實現煤礦井下的安全生產提供支撐。

1 工程概況

3205 綜放放頂煤工作面位于工業廣場以西南的山坡山梁溝谷地段，地表無建筑物。南部為礦界，西部為3203 采空區，北部為二采區大巷，東部為原小窯破壞區、關閉井口。地面標高為860 m，井下標高690 m，走向長度646 m，傾斜長度132 m，面積約為81 092 m2。該工作面的布置方式為單一走向長壁巷道，停采線位置位于原3205 回風順槽聯絡巷處。采煤工藝為綜放放頂煤采煤法， 使用MG160/380-WD 采煤機進行割煤作業，采高為2.3 m，割煤深達0.6 m，割煤方式選用端部斜切進刀雙向割煤。根據《3205 綜放放頂煤工作面地質說明書》預測結果表明，3205 綜放放頂煤工作面絕對瓦斯涌出量為2.85 m3/min，二氧化碳涌出量為1.6 m3/min。

2 瓦斯抽采綜合治理技術

2.1 瓦斯抽采原則

在對高瓦斯突出的綜放工作面進行瓦斯抽采時，要有明確的目的性和針對性，做好抽采設計、施工和管理。

在抽采作業前，首先對開采層的瓦斯抽采難易程度進行衡量，根據煤層的透氣性系數和鉆孔流量的衰減系數將其劃分為容易抽采、可以抽采和較難抽采三類，以此指導后續抽采技術的選擇及作業方式。具體評價指標如表1 所示。

表1 瓦斯抽采難易程度評價指標

2.2 瓦斯抽采技術種類

瓦斯抽采技術是一種保障煤礦井下生產安全的技術手段，其主要原理為通過抽采使高瓦斯突出的井下煤層轉變為低瓦斯無突出危險的煤層，同時使巷道內風流中含有的瓦斯質量濃度不超過規定限度。一般可以分為開采層抽采、鄰近層抽采和采空區抽采三類。其中，開采層抽采主要的適用情形為：通風技術無法解決的具有較大瓦斯含量的煤層，透氣性系數較高（超過0.23 m2/（MPa2·d））、單孔瓦斯流量較大的中厚煤層，可保證一定抽采時間的采掘面[4-5]。鄰近層抽采技術主要包括上鄰近層卸壓抽采法和下鄰近層卸壓抽采法兩類。具體的形式為鉆孔抽采瓦斯方式、巷道抽采瓦斯方式和混合型抽采瓦斯方式。采空區抽采技術主要包括回采工作面瓦斯抽采技術、老采空區瓦斯抽采技術、報廢礦井瓦斯抽采技術三種類型。目前應用研究最多的為回采工作面采空區瓦斯抽采技術。其中又包括了采空區積聚瓦斯抽采法、采空區冒落卸壓邊采邊抽法、工作面上虞角瓦斯抽放法等，具體表現方式為鉆孔抽采、巷道抽采、插管抽采。具體瓦斯抽采技術分類結構示意圖，如圖1 所示。

圖1 瓦斯抽采綜合技術結構示意圖

2.3 瓦斯抽采技術的選擇

對瓦斯抽采技術進行選擇時主要根據被采區域內瓦斯來源、開采條件、煤層狀況來確定。

1）瓦斯來源主要為開采層時，通常采用鉆孔預先抽采技術。

2）瓦斯來源主要為頂板和底板時，通常采用穿層鉆孔或者鄰近層鉆孔抽采技術。

3）煤層的透氣性相對不易抽采的時候，需要卸壓抽采。

4）煤層賦存在400 m 以下，較為平坦時，通常考慮垂直鉆孔技術。

3 現場應用

對山西澤州天泰坤達煤業有限公司3205 綜放放頂煤工作面的一、二采區回收煤柱區進行了瓦斯涌出量測定與評價，發現瓦斯涌出量小于5 m3/min，掘進工作面小于3 m3/min，從瓦斯涌出量和配風來看，通風完全可以滿足稀釋排放瓦斯，可以不進行瓦斯預抽工作。具體抽采方案如下：

3.1 采空區瓦斯抽采方法

為了解決3205 回采工作面回采期間的回風隅角瓦斯問題，在3205 回風順槽實煤體側布置了7 個高位抽放鉆場，鉆場寬4 m，深度3 m，高與回風順槽高度一致，用錨索、錨桿、錨網支護方式支護。如回風順槽實煤體側有特殊情況可對鉆場位置作適當的調整。

高位抽采瓦斯鉆孔布置：每個鉆場布置8 個高位抽放鉆孔，鉆孔分上、下兩層以三花眼形式布置，每層4 個抽放鉆孔。1 號、2 號鉆場鉆孔的向上傾角為19°（鉆孔傾角以煤層傾角向上傾斜角度），水平角第一個鉆孔向順槽內偏3°，第二個鉆孔向順槽內偏6°，第三個鉆孔向順槽內偏9°，第四個鉆孔向順槽內偏12°，鉆孔長度為120 m，鉆孔水平孔距為30 cm，兩層鉆孔垂直間距離為50 cm。3 號、4 號、5 號鉆場鉆孔的向上傾角為23°（鉆孔傾角以煤層傾角向上傾斜角度），水平角第一個鉆孔向順槽內偏3°，第二個鉆孔向順槽內偏6°，第三個鉆孔向順槽內偏9°，第四個鉆孔向順槽內偏12°，鉆孔長度為100 m，鉆孔水平孔距為30 cm，兩層鉆孔垂直間距離為50 cm。6 號鉆場鉆孔的向上傾角為15°（鉆孔傾角以煤層傾角向上傾斜角度），水平角第一個鉆孔向順槽內偏3°，第二個鉆孔向順槽內偏6°，第三個鉆孔向順槽內偏9°，第四個鉆孔向順槽內偏12°，鉆孔長度為150 m，鉆孔水平孔距為30 cm，兩層鉆孔垂直間距離為50 cm。

7 號鉆場鉆孔的向上傾角為15°（鉆孔傾角以煤層傾角向上傾斜角度），水平角第一個鉆孔向順槽內偏3°，第二個鉆孔向順槽內偏6°，第三個鉆孔向順槽內偏9°，第四個鉆孔向順槽內偏12°，鉆孔長度為100 m，鉆孔水平孔距為30 cm，兩層鉆孔垂直間距離為50 cm。

3.2 回風隅角埋管抽采方法

3205 綜放面回風隅角采用后退邁步式埋管交替抽放，在3205 回風順槽鋪設一趟Φ219 抽放管路用于回風隅角瓦斯抽放，距3205 回風隅角50 m 處變徑為兩趟Φ159 抽放管路，并安裝控制閥門。Φ159管路延伸至回風隅角處。Φ159 管路每隔20 m 接三通一個（三通用于接抽放立管，此立管有條型孔，用于抽采），兩根抽放管三通交錯10 m 的距離。待上端頭頂板垮落掩埋管路1.5 m后，開啟閥門進行抽放。3205 綜放面回采至第一趟抽放管路10 m處時，在第二趟抽放管路接抽放立管（距巷道頂板相差10 cm），并進行固定。待回風隅角頂板垮落掩埋立管1.5 m后，開啟閥門進行抽放。隨著3205 綜放面回采推進，上述方法以此交替進行施工。在3205 回風順槽總管路上安裝孔板流量計，用于測量3205 回風隅角瓦斯抽采參數。

3.3 抽放管路布置

3205 回風順槽布置兩趟Φ219 抽放管路，高位鉆場抽采接入高負壓抽放管路，支撐高度不得小于300 mm，在低洼處安裝放水器，放水器間距不得超過200 m，在回風繞道安裝一套孔板流量計。回風隅角埋管抽采接入低負壓抽放管路，抽放管路沿底板鋪設，在低洼處安裝放水器，放水器間距不得超過200 m，在回風繞道抽采管路上安裝一套孔板流量計。

4 結語

高瓦斯綜放工作面在井下生產作業時存在瓦斯涌出量大、瓦斯抽采困難等問題。本文在對目前高瓦斯綜放工作面常用的瓦斯抽采技術及其適用范圍進行分析的基礎上，結合山西澤州天泰坤達煤業有限公司3205 綜放放頂煤工作面的具體實際，提出了包括采空區瓦斯抽采方法、回風隅角埋管抽采方法以及抽放管路布置在內的合理有效的瓦斯綜合治理的具體方案，為實現煤礦井下的安全生產提供了有效保障。