晉平煤業高瓦斯綜放工作面瓦斯抽采技術體系

劉 鋒

（1.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司 瓦斯研究分院，遼寧 沈陽 110016）

晉平煤業107 采區通風線路長，風流阻力大，主扇負壓偏高；井下采空區較多，各地點密閉均有不同程度受壓導致漏風嚴重；井下通風巷道變形、底鼓等使巷道通風斷面減小。以上原因嚴重影響工作面瓦斯通過風排降低瓦斯濃度。當前礦井絕對瓦斯涌出量為120.90 m3/min，相對瓦斯涌出量為23.94 m3/t，煤層瓦斯含量大，普通單一的瓦斯抽采技術難以完全控制和降低井下采掘空間的瓦斯濃度。學者普遍認為瓦斯治理要成體系，綜合治理體系必將成為瓦斯治理的趨勢[1-3]，抽采技術參數精準化和抽采裝備智能化是日后的發展方向[4]。因此，必須根據各個礦井、采區、工作面或者回采巷道的工程技術條件，研究形成適用于本礦井的瓦斯抽采體系，將采掘空間的瓦斯濃度降低到安全限值以下。

根據晉平煤業107 采區開采3 號煤層的工程技術條件，建立了該采區詳細的瓦斯抽采體系，為同類技術條件的工作面煤層開采提供技術參考。

1 工程概況

1.1 礦井概況

晉平煤業位于山西省襄垣縣，為高瓦斯礦井，所采3 號煤層位于山西組中下部，煤層厚度為5.17～6.21 m，平均5.72 m。3 煤層結構簡單，一般含0～2 層夾矸。頂、底板巖性均為泥巖、砂質泥巖。

1075 綜放工作面平均長度180 m，平均采高2.50 m，放頂煤高度3.22 m，回采率為86%，回采工作面日產量為3273 t。3 號煤層瓦斯相對壓力為0.07～0.49 MPa，煤的堅固性系數（f 值）為0.57，煤層透氣性系數為1.76 m2/（MPa2·d），煤層瓦斯流量衰減系數為0.025 d-1。工作面采用采煤機落、裝煤，支撐掩護式液壓支架支護頂板，全部垮落法管理頂板，“U”型通風方式通風。

1.2 采區瓦斯賦存規律

將107 采區工作面瓦斯含量實測值及測點埋深采用office 軟件繪制成散點圖如圖1。

由圖1 可以看出，107 采區工作面3 號煤層瓦斯含量隨埋深增加而增大，兩變量之間具有較好的線性相關性。將各點進行線性回歸（相關系數R2=0.843 2），得到107 采區3 號煤層瓦斯含量分布規律，如公式（1），瓦斯含量增長梯度為2.56 m3/（t·hm）。

圖1 3 號煤層瓦斯含量與埋深之間的關系圖

W=0.025 6H-0.190 2 （1）

式中：W為煤層瓦斯含量，m3/t；H為煤層埋藏深度，m。

3 號煤層的埋藏深度自南向北逐漸增大，最大深度為460 m。由式（1）可知3 號煤層107 采區瓦斯含量最大值位于井田的北部，瓦斯含量最大為11.59 m3/t。

采用分源預測法，結合3 號煤層瓦斯含量及工作面日產量預測107 采區工作面瓦斯涌出量，結果見表1。

表1 回采工作面最大瓦斯涌出量預測結果表

2 高瓦斯工作面瓦斯抽采技術體系

國內有大量的學者和工程技術人員分別針對不同的抽采技術進行了理論和工程研究[5-7]。按照瓦斯來源，抽采技術大致可分為開采層抽采、鄰近層抽采、采空區抽采三大類。結合抽采時間與工作面回采的時空關系，又可以分為不同的抽采方式，不同的瓦斯抽采技術有不同的適用條件，見表2。

表2 瓦斯抽采體系

2.1 高位鉆孔抽采

針對高瓦斯無煤柱綜采或綜放工作面的上覆巖層垮落特點，為解決回采空間瓦斯超限問題，沿工作面回風巷開掘一系列垂直回風巷的平巷作為鉆場，在鉆場內施工高位鉆孔抽采上鄰近層瓦斯。鉆場深3 m，寬6 m，首鉆場距開切眼70 m。每個鉆場內布置6 個鉆孔，呈扇形布置。根據晉平煤業107 采區工作面頂板初次來壓距離及襄垣地區其他礦井生產經驗，確定裂隙帶高度約為35～50 m，設計鉆孔終孔位置為工作面采高的5～10 倍位置左右。根據計算鉆場間隔35 m 的距離時，前后鉆場內的鉆孔搭接位置均在裂隙帶內，因此確定鉆場間距為35 m 已保證高位鉆孔瓦斯抽采的正常搭接。107 采區工作面高位鉆孔施工參數見表3，高位鉆孔布置示意圖如圖2。

表3 高位鉆孔技術參數表

2.2 順層鉆孔抽采

設計在工作面回采巷道施工順層鉆孔，開孔高度為巷道底板以上1.2 m。瓦斯預抽鉆孔施工完成后，采用一次性囊袋注漿裝置“兩堵一注”方式封孔，封孔深度12 m，鉆孔直徑為94 mm，封孔管直徑為75 mm。之后立即將封孔管連接到支管上，再連接到干管上進行預抽。抽采鉆孔布置如圖3，順層鉆孔技術參數見表4。

圖3 回采工作面瓦斯抽采鉆孔布置平面圖

表4 回采工作面順層鉆孔技術參數表

2.3 邊掘邊抽

107 采區掘進工作面的最大瓦斯涌出量為3.83 m3/min，大于3 m3/min 且依靠通風能力不能解決瓦斯問題。為降低掘進工作面瓦斯濃度，采用邊掘邊抽方式治理工作面瓦斯。鉆場規格尺寸為：寬3.5 m，長4 m，高3 m，鉆場間距為50 m。鉆場的布置應免受采動影響，避開地質構造帶，抽采鉆孔布置相對巷道保留20 m 的超前距離，保證抽采密封效果。邊掘邊抽鉆孔示意圖如圖4。

圖4 邊掘邊抽鉆孔示意圖

3 瓦斯抽采效果

晉平煤業107 采區工作面瓦斯抽采體系建立以后，相較于以往采用單一的瓦斯抽采技術，極大地降低了回采和掘進工作面回風瓦斯濃度，現場回風隅角瓦斯濃度保持在0.48%～0.68%，回采工作面回風流瓦斯濃度穩定在0.25%～0.46%之間，掘進工作面回風流瓦斯濃度穩定在0.18%～0.39%之間。礦井瓦斯抽采率為56%，殘余瓦斯含量降低到5 m3/t，取得了良好的瓦斯治理效果，有效保障了井下安全高效生產。

4 結論

（1）107 采區3 號煤層的瓦斯含量增長梯度為2.56 m3/（t·hm），瓦斯含量最大為11.59 m3/t。

（2）建立了高位鉆孔抽采鄰近層和采空區覆巖上方瓦斯、順層鉆孔預抽和邊采邊抽本煤層瓦斯，巷道側向鉆場邊采邊抽掘進頭前方瓦斯的高瓦斯工作面瓦斯治理體系，使回采空間的瓦斯濃度保持在安全限值以下，殘余瓦斯含量降低到5 m3/t。