煤礦瓦斯防治技術及實踐應用

王木森

(陽泉市上社二景煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045100)

引 言

我國煤炭的儲量在全球范圍內排名靠前，而且大部分煤層埋藏于地下。瓦斯作為煤炭地下工作面開采是的主要危險源之一，若處理不當嚴重威脅著綜采工作面的生產安全和作業人員的人身安全，進而制約著煤炭的開采效率。經統計表明，我國每年由于瓦斯所導致的煤礦工事故的發生案例最多，且事故損失最嚴重。因此，在實際生產中采取一定的防治措施以確保瓦斯不會導致更嚴重過事故的發生。通常情況下，常采用合理、有效的通風方案實現對工作面瓦斯的稀釋甚至消除[1]。本文將對當前煤礦的瓦斯防止技術進行研究，并在對某項技術的實踐應用進行分析。

1 工程概況

以某礦某個工作面為研究對象，該工作面的走向長度約為3.7 km，傾斜寬度約為1.2 km。工作面可采煤層共有9層，且開采煤層的總厚度為12 m。而且，在可采煤層中共有4個煤層的煤種為焦煤。各個煤層的頂底板情況、煤層厚度以及煤間距參數，如表1所示：

該工作面的傾角范圍為8°～10°，平均傾角為9°。經探測可知，工作面目前落差大于8 m的斷面共有5條，第一條和第二條斷層的落差均大于30 m。其中，第一條段層延伸長度為12.5 km，第二條斷層的延伸長度為11 km。經對工作面瓦斯情況測量可知：工作面的瓦斯的相對涌出量為72.41 m3/t，絕對涌出量為62.87 m3/min;二氧化碳的相對涌出量為3.52 m3/t，絕對涌出量為3.06 m3/min。目前，工作面采用中央并列式的通風方式，且通風機數量為2臺，每臺通風機的功率為30 kW，風量為1 500 m3/min。

表1 工作面可采煤層特征參數

經對工作面瓦斯儲藏規律進行分析可知：工作面瓦斯含量最大的煤層為11#煤層，最小瓦斯含量為9#煤層；9#和11#煤層瓦斯的壓力及其含量均隨著其煤層厚度的增加而增加，但是其相關性較差。總之，該工作面煤層的瓦斯突出危險性較高，其治理難度較大。

2 瓦斯防治技術研究

從對該煤礦工作面的工程概況研究的基礎上可知煤層存在較大瓦斯突出風險，且其治理難度較大[2]。因此，需更加重視對該工作面瓦斯的防范和治理。

2.1 煤層開采順序的確定

在實際生產中可通過開采保護層的方式得到區域性放瓦斯突出的事故發生。開采保護層放瓦斯突出的原理，如圖1所示。

圖1 開采保護層防瓦斯突出原理圖

該工作面共包含有9個可開采煤層，且尤其以2#、4#、7#以及9#、11#煤層瓦斯突出的危險系數最高。因此，需對這5個煤層的開采順序進行重新評估[3]。

經對上述工作面五個煤層的瓦斯含量及壓力分析可得：2#和4#煤層的突出危險系數明顯大于其余3個煤層。因此，不宜將2#和4#煤層先于7#、9#、11#煤層開采。而且，就目前工作面發生瓦斯突出事故的情況來看，其均發生在11#煤層。因此，11#層也不宜作為保護層先行開采。經上述分析，工作面僅剩7#和9#煤層可作為保護層先行開采。而且，綜合分析工作面抽采鉆孔工作量和瓦斯抽采難度，確定9#煤層為保護層先行開采。

通過對工作面各個煤層可開采情況的分析可知：整個工作面中可全部開采的煤層為2#、9#以及11#；可大部分開采的煤層為7#；可局部開采的煤層為4#和5#；剩余煤層幾乎不可開采。因此，確定9#煤層先行開采后，可從2#、7#以及11#煤層中確定一個接續開采煤層。綜合考慮工作面揭煤的安全風險和可持續開采的因素，確定11#煤層為9#煤層的接續開采煤層。

根據上述思路最終確定瓦斯突出概率最小的開采順序為：9#煤層→11#煤層→2#煤層→7#煤層→4#煤層。

2.2 預抽煤層瓦斯

由于9#煤層屬于瓦斯突出概率最高、危險性最高的煤層。因此，當9#煤層作為保護層先行開采時需采取相應的區域防瓦斯突出措施[4]。預抽煤層瓦斯為區域防突的措施之一，其原理如圖2所示。

圖2 預抽煤層瓦斯防突出危險原理圖

目前，可應用于煤層瓦斯的預抽方式有頂底板瓦斯巷穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯和邁步式順層長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯。結合當前煤礦的煤層賦存情況和順層鉆孔的施工能力，針對9#煤層采用頂底板瓦斯巷穿層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯的預抽方式。

3 瓦斯防治技術的應用

3.1 瓦斯防治方案的設計

為了達到有效防止瓦斯的效果，需對煤層采用順層鉆孔抽放和瓦斯尾巷抽放的綜合治理技術[5]。

針對順層鉆孔技術實現對煤層瓦斯的抽取采用，如圖3所示的鉆孔布置示意圖。

圖3 順層鉆孔技術下鉆孔布置示意圖

如圖3所示，鉆孔的間距為2 m，鉆孔的抽放半徑為1 m以及鉆孔的直徑為75 mm。根據前期對煤層瓦斯含量的探測，需保證預抽時間的天數不少于40天。

為了防止由于工作面負壓的緣故導致空氣吸入工作面瓦斯尾巷，從而降低煤層的抽采效果甚至引起自燃事故。在回采過程中，對瓦斯尾巷采用將其浮煤清理干凈并噴灑阻化劑的措施。此外，還需加強對瓦斯尾巷的管路保護，以防管路由于頂板垮落而壓斷。

3.2 瓦斯防治效果

將上述瓦斯防治方案應用于該礦工作面的生產中，并對瓦斯抽放泵的流量進行統計驗證工作面瓦斯的防治效果。

瓦斯抽放泵分為低負壓瓦斯抽放泵和高負壓瓦斯抽放泵。經現場應用觀測可知：

1) 通過對低負壓瓦斯抽放泵的流量進行統計可知，瓦斯抽放濃度為20%，且瓦斯抽放的實際流量為52 m3/min。

2) 通過對高負壓瓦斯抽放泵的流量進行統計可知，瓦斯抽放濃度為25%，且瓦斯抽放的實際流量為33 m3/min。

采用上述方案連續抽采40天后開采，在實際開采過程中瓦斯的涌出量為7.2 m3/min；而當前工作面所配置通風系統的風量為1 500 m3/min。因此，基于上述瓦斯防治技術治理后的瓦斯濃度滿足《煤炭安全規程》的相關要求。

4 結語

一直以來，工作面煤層的瓦斯突出事故是影響工作面安全性的主要因素之一，而且其危害強度也非常大。因此，對礦井工作面瓦斯的治理工作及其治理效果尤為重要。對于多煤層工作面而言，可通過采用保護層先行開采，煤層預抽放瓦斯等技術實現對工作面煤層瓦斯的治理工作，為工作面的安全生產奠定基礎。