閻家莊分區15號煤層瓦斯抽采方法研究

張鵬飛

（山西辰誠建設工程有限公司 山西 陽泉 045000）

1 工程概況

陽泉煤業一礦南條帶閻家莊分區設計生產能力為3.0 Mt/a。根據陽泉煤業2012 年度礦井瓦斯等級鑒定結果，礦井絕對瓦斯涌出量252.78 m3/min，相對瓦斯涌出量20.88 m3/t，為高瓦斯礦井。為此，需要從瓦斯抽采難易程度出發，對礦井的瓦斯抽采方法進行選擇[1-2]，從而有助于建立瓦斯抽采系統，從而保證煤礦的安全生產。

2 瓦斯資源及抽采條件

2.1 瓦斯資源條件及基本參數

根據有關部門的測定，15#煤層的最大瓦斯含量7.63 m3/t，煤層瓦斯壓力0.58 MPa，煤層透氣性系數0.018 m2/(MPa2·d)～0.036 m2/(MPa2·d)，鉆孔瓦斯流量衰減系數1.1287 d-1～1.8 608 d-1。15#煤層標高+550 m以上區域內無煤與瓦斯突出危險性。

15#煤層瓦斯含量與煤層埋深有如下關系：

式中：W—煤層瓦斯含量，m3/t；h—煤層埋深，m。由式（1）可知，15#煤層瓦斯含量與煤層埋藏深度呈現正相關，即埋深每增加100 m，煤層每噸煤瓦斯含量增加0.71 m3。

2.2 鄰近礦井瓦斯情況

井田內及周邊共有6個生產礦井，程莊煤礦、蔭營煤礦、圣天寶地清城煤礦和興峪煤礦位于礦井北部，陽煤三礦、新景礦緊鄰陽煤一礦南部，陽煤集團四礦位于一礦東南部（已關閉），西部為規劃區。

程莊煤礦現開采9#、15#煤層，開采深度為680 m～979 m，為高瓦斯礦井。圣天寶地清城煤礦現開采15#煤層，開采深度約為400 m，為高瓦斯礦井。新景礦分兩個水平開采，一水平標高為+525 m，主要開采3#、8#煤層與蘆湖北分區的15#煤層，埋深約為600 m；二水平標高為+420 m，主要開采蘆湖南分區、佛洼分區、保安分區的15#煤層，埋深約為700 m，為突出礦井。

三礦豎井開采15#煤層，開采深度約為590 m，為高瓦斯礦井。蔭營煤礦開采8#、12#、15#煤層，開采深度為250 m～550 m，為高瓦斯礦井。興峪煤礦開采9#、15#煤層，開采深度為290 m～480 m，礦井絕對瓦斯涌出量18.9 m3/min，相對瓦斯涌出量0.86 m3/t，為高瓦斯礦井。

2.3 瓦斯儲量及可抽量預測

閻家莊分區瓦斯儲量的計算范圍包括分區范圍內各可采煤層及受采動影響向礦井涌出瓦斯的不可采煤層和圍巖的瓦斯含量[3]。受采動影響，位于15#煤裂隙帶的上鄰近層及圍巖瓦斯要不同程度地涌向工作面開采空間，一般裂隙帶位于6～8 倍采高之上和30～35 倍采高之下的范圍內。同時，距離開采層20 m～30 m 范圍的下鄰近層可以較充分地向回采工作面開采空間釋放瓦斯。

經過計算分區瓦斯儲量為4 817 Mm3，見表1。

表1 分區瓦斯儲量表

瓦斯可抽量是指礦井瓦斯儲量中能被抽出的瓦斯量。根據陽泉礦區統計資料，一般為30%～50%，設計取45%。瓦斯抽采量為2 168 Mm3。

3 瓦斯抽采方法選擇及抽采參數確定

3.1 瓦斯抽采方法選擇

經過分析，閻家莊分區回采工作面瓦斯來源主要是以鄰近層為主、開采層為輔，最大瓦斯涌出為164.44 m3/min，其中開采層占19.7%，鄰近層占80.3%。

根據閻家莊分區煤層瓦斯涌出的實際情況，閻家莊分區在實施抽采瓦斯時應進行綜合抽采，即回采工作面本煤層預抽和邊采邊抽、回采工作面鄰近層瓦斯卸壓抽采、采空區瓦斯抽采的綜合抽采方式[4]。

（1）回采工作面瓦斯抽采方法

15#煤層透氣性系數 λ 平均值為0.027 m2（/MPa2·d），低于0.1 m2（/MPa2·d），屬低透氣性煤層較難抽采。閻家莊分區15#煤層采用本煤層預抽和邊采邊抽的抽采方法。回采工作面本煤層抽采的方式有鉆場平面扇形鉆孔、底板巖巷穿層鉆孔、平行鉆孔、斜交鉆孔等方式。

對15#煤本煤層瓦斯抽采采用方案。從開切眼外10 m處開始到超過停采線20 m結束，此范圍內沿進風順槽及回風順槽兩側布置雙排順層平行鉆孔（見圖1），鉆孔呈三花布置，鉆孔間距為3 m。鉆孔垂直巷道中線，下排鉆孔距底板3.6 m處，上排鉆孔距底板5.3 m處。鉆孔深度按孔底位于掘進巷道預排瓦斯帶寬度以外及鉆孔抽采半徑確定，回采工作面長度為220 m，鉆孔長度為120 m。根據以往抽采經驗，初選鉆孔間距為3 m。工作面預抽時間363 d，設計確定回采工作面預抽瓦斯時間為12個月。

圖1 本煤層瓦斯抽采示意圖

（2）回采工作面鄰近層抽采工藝

15#煤層回采工作面布置低位抽放巷和走向高抽巷對解決回采工作面上隅角瓦斯超限和對鄰近層瓦斯進行卸壓抽采效果良好。走向高抽巷布置在15#煤回采工作面頂板巖層中，與回采工作面保持一定垂高、與回風巷平行且保持一定距離（布置在靠近回風順槽54 m，即約1/3 工作面采長范圍內）沿回采工作面走向全長布置的瓦斯抽采巷道，經對15#煤上鄰近層層間距及頂底板情況對比分析，走向高抽巷頂板沿K4上方灰白色中細砂巖為頂板布置，距15#煤約60 m，見圖2。

圖2 15#煤層鄰近層高抽巷抽采方法示意圖

（3）回采工作面采空區抽采方法（低位抽放巷）

15#煤回采工作面采空區瓦斯采用低位抽放巷密閉后井下瓦斯抽采泵進行抽采，以解決回采工作面采空區瓦斯及上隅角瓦斯超限。在低位抽放巷開口附近做密閉墻，墻內埋壓抽采瓦斯管，利用井下移動瓦斯抽采泵進行抽采，抽采的瓦斯排入采區回風巷，經礦井負壓通風排到地面。移動瓦斯抽采泵站硐室布置于S5采區回風巷與停采線之間，泵站硐室斷面為矩形斷面，凈寬6.5 m，凈高5.5 m，凈斷面35.75 ㎡，硐室長度為36 m，硐室頂部采用W鋼帶+全錨索支護，巷幫采用錨桿+W 鋼護板+錨索支護，全斷面掛金屬網，噴射混凝土厚度為100 mm，硐室內用混凝土鋪底，厚度為200 mm。泵站硐室內布置2 臺流量為600 m3/min 瓦斯抽采泵，“一字型”布置，一用一備。

（4）掘進工作面瓦斯抽采方法

設計采用在掘進工作面布置耳狀鉆場，在掘進工作面正前方與鉆場內施工抽采鉆孔對掘進工作面瓦斯涌出量進行抽采。鉆孔間距為0.6 m，終孔間距為3 m，孔深90 m，孔徑?113 mm；最外側鉆孔的終孔位置超出巷道輪廓線外15 m，鉆孔超前掘進工作面不小于20 m。鉆孔施工完成后及時封孔，對掘進工作面正前方煤體進行預抽，進行相應參數測定合格后，開始掘進，鉆場內的鉆孔由預抽改為邊掘邊抽。

3.2 抽采參數確定及抽采規模

根據前面預測結果，回采工作面開采層絕對瓦斯涌出量為32.38 m3/min，為降低回采工作面風排瓦斯量，回采工作面開采層瓦斯采用在運輸順槽和回風順槽雙側布置順層平行鉆孔，進行預抽和邊采邊抽。

回采工作面開采層預抽瓦斯抽采率按40%考慮，則瓦斯抽采量為12.95 m3/min。回采工作面開采層瓦斯邊采邊抽抽采量按預抽量50%計算，則抽采量為6.48 m3/min。開采層瓦斯抽采量19.43 m3/min。回采工作面沿K4 上方中細砂巖為頂板布置走向高抽巷進行鄰近層卸壓抽采，走向高抽巷距15#煤約60 m。

15#煤回采工作面低位抽放巷密閉后采用井下移動瓦斯抽采泵抽采，以解決回采工作面上隅角瓦斯。井下移動瓦斯抽采泵抽出瓦斯量約為6 m3/min，濃度約為2.5%。開采層及掘進工作面瓦斯抽采采用高負壓瓦斯抽采系統，抽采瓦斯量為21.28 m3/min；鄰近層及采空區瓦斯抽采采用低負壓抽采系統，抽采瓦斯量為144.76 m3/min，總抽采瓦斯量為166.04 m3/min。閻家莊分區15#煤瓦斯抽采工程規模為87.3 Mm3/a。

4 預期抽采效果評價

閻家莊分區回采工作面抽采瓦斯量為144.28 m3/min，瓦斯抽采率為87.7%；符合《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》、《煤礦瓦斯抽采基本指標》（AQ1026-2006）中不低于70%的規定。

閻家莊分區布置一個回采工作面，分區瓦斯抽采量為166.04 m3/min，則分區瓦斯抽采率η＝64.12%，符合《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》、《煤礦瓦斯抽采基本指標》（AQ1026-2006）中不低于50%的規定。

5 小結

結合了閻家莊分區15#煤層瓦斯賦存情況，分析了瓦斯抽采的難易程度。探討了不同條件下瓦斯抽采的方法，主要包括回采工作面抽采、鄰近層抽采、采空區抽采以及掘進工作面抽采。雖然15#煤層采取了多種抽采方法進行瓦斯抽采，這可以保證煤層中的瓦斯能有效地抽出，但是設計的抽采方法多是通過鉆孔抽采或巷道進行抽采，施工的周期相對比較長，在具體施工過程中應該進行適當地調整。