王家?guī)X煤業(yè)18104工作面瓦斯治理技術(shù)實踐

劉兆宇

（山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000）

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團有限公司王家?guī)X煤礦位于山西省保德縣南部，礦井面積34.447 1 km2，批準(zhǔn)開采4#～9#煤層，生產(chǎn)規(guī)模5.0 Mt/a。18104工作面北部為石塘村、石塘河保護(hù)煤柱，南部73 m為井田邊界，西部為18106回采工作面，東部為18102采空區(qū)。工作面回采4#煤層，地面標(biāo)高+1 044.5～+1 126.1 m，工作面標(biāo)高+547～+610 m，工作面走向長度為1 612.6 m，工作面長度為300 m。18104綜采工作面采用兩進(jìn)一回“U”型通風(fēng)方式，18104膠帶順槽、18106回風(fēng)順槽進(jìn)風(fēng)，18104回風(fēng)順槽回風(fēng)。18104工作面及通風(fēng)系統(tǒng)布置情況如圖1所示。

18104工作面4號煤層瓦斯參數(shù)：煤層透氣性系數(shù)為0.778 m2/MPa2·d，瓦斯原始含量4.7 m3/t，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.05 d-1，百米鉆孔初始瓦斯涌出強度0.456 m3/min·100 m。

2 本煤層瓦斯抽采可行性及必要性

山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司為高瓦斯礦井，根據(jù)《王家?guī)X煤業(yè)有限公司4#煤層一采區(qū)瓦斯基本參數(shù)》測定報告，該礦4#煤層透氣性系數(shù)為0.778 m2/MPa2·d，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.05 d-1。根據(jù)瓦斯抽采難易程度指標(biāo)判定18104回采工作面本煤層抽采難易程度為可以抽采。

根據(jù)山西王家?guī)X煤業(yè)一通三防部提供的資料，依據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測方法》（AQ1018-2006），結(jié)合王家?guī)X煤業(yè)18104回采工作面具體采礦條件，對王家?guī)X煤業(yè)18104工作面回采期間瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測，得出：絕對瓦斯涌出量39.28 m3/min，該數(shù)值遠(yuǎn)大于《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》的必須進(jìn)行瓦斯抽采的數(shù)值5 m3/min。另外經(jīng)計算，18104工作面最大絕對瓦斯涌出量39.28 m3/min也大于風(fēng)排瓦斯量回采工作面q通=3000×0.8/1.3/100=18.64 m3/min。因此，18104工作面必須進(jìn)行瓦斯抽采。

3 18104工作面瓦斯抽采方案

基于王家?guī)X煤業(yè)的實際情況，18104工作面瓦斯抽采方案主要以本煤層瓦斯預(yù)抽為主，回采過程中采用高位定向鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯[1-5]。

3.1 本煤層鉆孔預(yù)抽方法

在18104工作面膠帶順槽自開切眼至工作面回撤通道范圍內(nèi)分兩段施工本煤層鉆孔，第一段為在18104工作面膠帶順槽切眼至回采里程102 m范圍內(nèi)，施工本煤層平行鉆孔，鉆孔間距5 m，鉆孔長度為280 m，預(yù)計需施工20個本煤層鉆孔；第二段為在18104工作面膠帶順槽回采里程102～1717 m范圍內(nèi)，施工本煤層傾斜平行鉆孔，鉆孔間距5 m，鉆孔長度為298 m，預(yù)計需施工323個本煤層鉆孔。兩段合計施工343個鉆孔。鉆孔技術(shù)參數(shù)見表1，抽采鉆孔布置如圖2所示。

圖2 本煤層預(yù)抽鉆孔布置示意圖

3.2 本煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔指標(biāo)

3.2.1 噸煤鉆孔量

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采規(guī)范》（AQ1027-2006）規(guī)定，噸煤鉆孔量的要求如表2所示。經(jīng)計算18104工作面噸煤鉆孔量為0.024 m/t。王家?guī)X煤礦4#煤屬于可以抽采煤層，按照本設(shè)計方案，噸煤鉆孔量符合規(guī)定。

表2 噸煤鉆孔量表 （單位：m/t）

3.2.2 預(yù)抽鉆孔抽采時間及抽采量

根據(jù)瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)，百米鉆孔初始瓦斯涌出量為0.456 m3/（min·hm），鉆孔流量衰減系數(shù)0.05 d-1，5個月內(nèi)鉆孔抽采有效系數(shù)為99%。

因此，本煤層預(yù)抽5個月時抽采量可以達(dá)到自然衰減量的99%，再增加抽采時間，抽采瓦斯量增加效果不明顯，所以抽采時間達(dá)到5個月能夠滿足抽采的需要。18104工作面煤炭儲量為419.5萬t，考慮瓦斯抽采不均衡性，預(yù)抽工作面回采區(qū)域時，5個月抽采時間內(nèi)，經(jīng)計算，18104工作面噸煤抽采量為2.66 m3/t。

18104工作面回采范圍內(nèi)實測原始煤層最大瓦斯含量4.70 m3/t，預(yù)抽后煤層殘余瓦斯含量可降低至2.04 m3/t，預(yù)抽后煤層可解析瓦斯含量可降低至1.18 m3/t，小于《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》規(guī)定的臨界值4 m3/t。

3.2.3 鉆孔預(yù)抽瓦斯量

鉆孔累計進(jìn)尺101 854 m，經(jīng)計算單孔（孔深55 m）5個月內(nèi)累計抽采量為2164 m3，上述本煤層預(yù)抽鉆孔5個月內(nèi)平均預(yù)抽瓦斯量18.55 m3/min。

3.3 高位定向鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯

18104工作面最大絕對瓦斯涌出量預(yù)測值為39.28 m3/min，根據(jù)《山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司4#煤層地面固定瓦斯抽采系統(tǒng)工程初步設(shè)計變更》報告，圍巖及采空區(qū)丟煤涌出瓦斯量為預(yù)測瓦斯涌出量的30%，即11.78 m3/min，修正后的鄰近層瓦斯涌出量為7.56×0.63=4.76 m3/min。現(xiàn)采空區(qū)抽采量為圍巖及采空區(qū)丟煤涌出瓦斯量預(yù)測值的30%，11.78×0.3=3.53 m3/min，鄰近層抽采量為鄰近層預(yù)抽涌出量的50%，4.76×0.5=2.38 m3/min，18104工作面采空區(qū)瓦斯抽采總量為3.53+2.38=5.91 m3/min。

3.3.1 鉆場布置

18104工作面回風(fēng)順槽計劃布置4個鉆場，鉆場形狀為“梯形”，鉆場沿巷道底板布置，內(nèi)寬9 m，外寬12 m，深5.5 m，與巷道同高。鉆場自南向北依次編號為1號～4號，其中1號鉆場距離工作面切眼257 m，2號鉆場距離工作面切眼706 m，3號鉆場距離工作面切眼1149 m，4號鉆場距離工作面切眼1584 m。

3.3.2 鉆孔層位

鉆孔層位控制在距4#煤層頂板20～50 m范圍，且每個鉆場鉆孔層位應(yīng)根據(jù)前一個鉆場鉆孔抽采情況及時調(diào)整，具體層位以每個鉆場高位鉆孔設(shè)計為準(zhǔn)。鉆孔內(nèi)錯回風(fēng)順槽距離控制在10～35 m范圍內(nèi)，且每個鉆場鉆孔層位應(yīng)根據(jù)前一個鉆場鉆孔抽采情況及時調(diào)整，具體位置以每個鉆場高位鉆孔設(shè)計為準(zhǔn)。

3.3.3 鉆孔孔徑和數(shù)量

18104工作面高位鉆孔孔徑均為Ф203 mm，高位鉆孔數(shù)量計算結(jié)果見表3。

表3 高位鉆孔數(shù)量計算結(jié)果表

根據(jù)上述計算，18104工作面施工Ф203 mm高位鉆孔時，每個鉆場需至少布置3個鉆孔，如圖3所示。

圖3 18104工作面高位定向鉆孔布置示意圖

3.3.4 鉆孔進(jìn)尺

18104工作面共布置4個鉆場，1#鉆場鉆孔進(jìn)尺平均約774 m，2#鉆場鉆孔進(jìn)尺平均約1404 m，3#鉆場鉆孔進(jìn)尺平均約1389 m，4#鉆場鉆孔進(jìn)尺平均約1368 m，18104工作面高位鉆孔總進(jìn)尺約4935 m。

3.3.5 抽采支管路直徑選擇

18104回風(fēng)順槽計劃敷設(shè)一趟抽采管路，服務(wù)于18104工作面高位鉆孔瓦斯抽采，管路抽采量計算及管徑選擇見表4。

表4 管路抽采量計算及管徑選擇表

4 瓦斯治理效果

18104工作面于2020年10月開始實施瓦斯抽采，經(jīng)過5個月的瓦斯預(yù)抽，18104工作面開始回采。在18104工作面初采的5個月時間內(nèi)，瓦斯涌出量為39.28 m3/min，本煤層瓦斯預(yù)抽量為8.2 m3/min，高位鉆孔抽采量為28.3 m3/min，抽采效果較好。到目前為止，18104工作面未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，上隅角瓦斯?jié)舛仁冀K低于0.5%，瓦斯抽采效果非常理想，保障了18104工作面開采的安全性。