多煤層開采工作面瓦斯綜合防治技術研究與應用

張 立

（1.山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036599；2.太原理工大學，山西 太原 030024）

0 引 言

煤礦井下開采過程中，瓦斯災害是礦井重大災害之一，對礦井的安全生產起著嚴重制約作用。隨著煤礦開采深度和開采強度的增加，井下瓦斯地質條件更加復雜，瓦斯治理難度也越來越大[1-2]。對煤礦井下工作面瓦斯涌出量進行超前預測，煤礦開采前確定井下瓦斯涌出量等級，對于礦井瓦斯治理措施制定、降低礦井瓦斯治理和開采成本、提高開采效率、確保礦井安全高效生產具有重要指導作用。

1 工程概況

沙坪礦位于山西省河曲縣南部，行政隸屬舊縣、沙坪鄉管轄，礦井東西走向長約10 km，南北傾斜寬2～5 km，礦區面積22.4 km2，礦井總體呈一寬緩的不完整向斜構造，走向近東西向，傾角7°～15°，局部大于15°。區域構造形式以斷裂為主，褶皺次之，發育滑動構造。礦井批準開采的煤層為6號～15號，其中可采煤層為8號和13號煤層，開采深度+750—+930標高。

2 工作面煤層瓦斯涌出量超前預測分析

對煤礦井下開采工作面煤層進行瓦斯涌出量超前預測，能夠為礦井通風設計、瓦斯超前預防與治理、礦井安全生產作業提供參考，具有較好的指導作用[3]。本文對工作面開采的煤層瓦斯涌出量超前預測采用的方法是分源預測法。

2.1 預測基本條件

（1）礦井在開采中期計劃將8號和13號煤層進行聯合開采，采煤工作面和掘進工作面個數比例為2∶4，其中9號煤層開采期間工作面煤炭資源回收率為95%，13號煤層為93%，工作面傾斜長為150 m?；夭上锏谰蜻M每月平均進尺為350 m。

（2）沙某礦設計的年生產能力為400萬t/a，其中開采的9號煤層平均厚度1.8 m，工作面回采時日產量為1 265 t，所布置的采區日產量為1 315 t；開采的13號煤層平均厚度為4.8 m，13號煤層開采的工作面與8號煤層工作面進行配采時，13號煤層工作面的日產量為3 265 t，所布置的一采區日產量為3 450 t。當13號煤層所布置的二采區單獨生產時，回采工作面的日產量為4 652 t，二采區日產量為4 832 t。

（3）礦井設計的每年正常生產工作日為330 d。

2.2 瓦斯含量測定

此次利用鉆屑解析法對工作面煤層瓦斯含量進行測定，由于受現場作業環境及取樣條件等因素限制，在進行此次瓦斯含量測定時只能選用1個測點作為有效點。為了解決8號和13號煤層瓦斯含量掌控點數量不足的問題，將原礦井地勘時期施工的，滿足瓦斯可靠性評價原則的瓦斯含量鉆孔數據作為測試點，收集整理后的相關數據情況見表1。

表1 8號及13號煤層測點瓦斯含量及相關數據統計Table 1 Statistical table of gas content and related data at measuring points of No.8 and No.13 coal seams

采用線性回歸法對表1數據進行分析可以得出8號和13號煤層瓦斯含量基本規律，如圖1所示。

圖1 煤層瓦斯含量與工作面埋深關系圖Fig.1 Relationship between gas content in coal seam and buried depth of working face

根據圖1線性分析可知，工作面煤層瓦斯含量Q與煤層埋深H之間的關系可以用式（1）表示。

8號煤層：

13號煤層：

式中：Q為工作面煤層瓦斯含量；m3/t；H為工作面煤層埋深，m。

由式（1）可以得出，8號煤層工作面瓦斯含量隨工作面煤層埋藏深度增加而增加，其中8號煤層埋藏深度每增加10 m，工作面煤層瓦斯含量增加1.5 m3/t；13號煤層埋藏深度每增加10 m，工作面煤層瓦斯含量增加1.21 m3/t。

2.3 工作面煤層瓦斯涌出量分析

根據工作面開采期間瓦斯來源情況，得到了工作面煤層瓦斯涌出量預測分析結果（表2）。

礦井瓦斯涌出量大小計算可以用式（2）表示。

式中：q為礦井瓦斯相對涌出量，m3/t；qi為礦井第i個生產采區瓦斯相對涌出量，m3/t；Ai為礦井第i個采區平均日產量，t/d；K”為已回采工作面采空區內瓦斯涌出量系數。

根據表2中預測分析的結果可知，在沙坪礦對8號和13號煤層聯合開采過程中，年產量達到400萬t時，礦井最大的絕對瓦斯涌出量值為20.15 m3/min，最大相對瓦斯涌出量值為50.58 m3/t，由此可以判定該礦井為高瓦斯礦井，涌出的瓦斯主要來源于正在開采的煤層和臨近煤層，其次為已采掘結束厚的采空區。

3 工作面瓦斯綜合治理

隨著礦井開采的煤層埋藏深度越來越大，工作面煤層瓦斯含量也隨之越來越高[4]，為了降低瓦斯對工作面開采期間的影響，需要提前制定切實有效的措施對工作面瓦斯進行治理，確保工作面安全順利開采。由于8號煤層和13號煤層都是可以抽采的煤層，且在礦井開采初期，13號煤層已經建立了一套完整的工作面瓦斯防治系統，因此本文主要對開采8號煤層的工作面瓦斯綜合治理措施進行研究分析。

3.1 工作面本煤層瓦斯抽采技術

結合13號煤層開采時瓦斯抽采經驗，在開采8號煤層時，可以采用在工作面進風順層和回風順槽施工順層交叉鉆孔對首采工作面進行本煤層瓦斯預抽。8號煤層開采的工作面設計工作面傾斜長200 m，順槽走向長1 000 m。根據工作面情況順層抽采鉆孔深度設計為110 m，鉆孔孔徑為94 mm，鉆孔距巷道底板高度0.7～0.8 m，因8號煤層的透氣性較差，故鉆孔布置采取密集型布置，鉆孔間距為2 m，同時可以根據抽采的實際有效半徑考察情況對鉆孔間距進行調整，鉆孔施工的角度按現場煤層傾角進行確定。鉆孔施工后對鉆孔進行封孔，封孔深度不小于8 m。8號煤層工作面順層鉆孔及采空區抽采管路布置如圖2所示。

圖2 8號煤層工作面順層鉆孔及采空區抽采管路布置示意Fig.2 No.8 coal seam working face bedding drilling and goaf drainage pipeline layout

3.2 臨近煤層分層預抽

8號煤層工作面在開采結束后，由于工作面巖層受到采動及頂板圍巖應力的影響，造成采場圍巖出現大量裂隙，從而為鄰近煤層中的瓦斯向采空區涌入提供了通道，造成采空區中積聚了大量鄰近煤層中的瓦斯，造成正在開采的工作面出現瓦斯濃度升高的現象。根據鄰近煤層在8號煤層中瓦斯涌出量計算結果，6號和7號煤層中瓦斯涌出量占與8號煤層鄰近的所有煤層瓦斯涌出量總和的46.5%，因此在8號煤層開采過程中需對鄰近的6號和7號煤層進行抽采卸壓。

為了提高鄰近煤層瓦斯抽采效果，根據其他類似礦井近距離煤層瓦斯抽采經驗，結合該礦實際情況，設計在6號、7號和8號煤層中施工高位抽采鉆孔，在工作面回風巷中沿煤層頂板裂隙帶走向方向布置鉆孔，具體布置如圖3所示。

圖3 8號煤層及鄰近煤層高位鉆孔布置示意Fig.3 No.8 coal seam and adjacent coal seam high drilling layout

在工作面回風巷內每間隔40 m設計布置1個鉆場，每個鉆孔內設計9個鉆孔，每3個鉆孔為1組，其中第一組鉆孔終孔位置在6號煤層頂板中布置，第二組鉆孔終孔位置在8號煤層頂板中布置，第三組鉆孔終孔位置設計布置在8號煤層底板中，每組鉆孔呈扇形布置，傾角9°～11°，鉆孔深度為130 m，孔徑為113 mm，鉆孔封孔深度不小于8 m。

3.3 工作面采空區內瓦斯治理

8號煤層開采過程中影響工作面正常生產的采空區內瓦斯主要來源于鄰近7號煤層開采結束后形成的采空區和8號煤層回采結束的工作面形成的采空區。上述兩個采空區內的瓦斯會以游離狀態通過巖層裂縫進入采掘工作面，從而增加正在采掘工作面的瓦斯含量，影響工作面正常開采。

為治理鄰近8號煤層的上覆7號煤層采空區內的瓦斯，在8號煤層回采工作面回風巷內超前切巷30 m位置施工鉆場，根據8號煤層傾角來設計確定鉆場施工的參數。在鉆場內沿8號煤層頂板向7號煤層施工高位抽放鉆孔，每間隔40 m布置1組鉆孔，鉆孔呈密集型布置，鉆孔直徑為113 mm，每組鉆孔呈扇形分布。

針對正在回采中的工作面，采用在隅角打設密閉墻進行埋管抽放的方式來治理采空區內的瓦斯。為了提高密閉墻的密閉效果，可以在墻體四周進行掏槽，在槽內砌磚，磚塊內存在的縫隙使用黃泥進行封堵填實。密閉墻厚度為3 m，在距密閉墻頂部0.5 m位置埋設抽放管路，為防止采空區內部瓦斯泄露，在未開始抽放前要將管路口進行封堵。

3.4 利用地面“U”型井抽放瓦斯

雖然通過利用上述綜合治理措施能夠解決工作面瓦斯超限問題，保證工作面安全生產，但是隨著礦井開采深度的不斷增加，且現開采的煤層埋藏深度已超過600 m，煤層瓦斯含量和壓力應越來越大，礦井深部開采煤層瓦斯治理難度加大，為解決該問題，借鑒其他類似條件礦井瓦斯治理的經驗，可以施工“U”型井，提高礦井瓦斯抽采力度，減小礦井深部煤層中瓦斯含量和壓力[5]?！癠”型井布置如圖4所示。

圖4 “U”型井抽采結構布置示意Fig.4′U′well drainage structure arrangement

4 結 語

根據沙某礦開采煤層的地質條件及煤層瓦斯賦存變化狀況，利用分源預測的方法對工作面煤層中瓦斯來源進行預測分析，得出工作面開采過程中涌出的瓦斯主要來源于正在開采的煤層和臨近煤層，其次為已采掘結束后的采空區。針對瓦斯來源情況，制定了本煤層瓦斯抽放、鄰近煤層分抽、工作面采空區瓦斯抽放、建立“U”型礦井抽采系統等綜合瓦斯治理措施和方案。通過應用結果表明，工作面瓦斯集中涌出量和風排量明顯減小，工作面開采過程中未發生瓦斯異常等災害事故，實現了安全開采，為類似條件的礦井在瓦斯防治措施的制定中提供了一定的參考價值。