高瓦斯礦井系統優化及瓦斯治理研究

趙文曙，梁旺亮

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

為適應智能化開采需要，近年來西銘礦在各煤層中開展了系統優化與瓦斯治理技術革命，一是優化采區及工作面設計，推行大采區、大采長、大走向、大儲量工作面，減少了搬家倒面，緩解了采掘銜接，延長了采面回采期；二是面對大采長、大儲量工作面瓦斯涌出來源及規律的變化，實踐了立體式、分源式、精準式瓦斯治理對策，礦井實現了高瓦斯工作面在低瓦斯狀態下的安全高效回采。

1 采區優化前概況及瓦斯治理措施分析

以山西西山煤電股份有限公司西銘礦（全文簡稱西銘礦）北七采區為例，解析傳統煤炭開采設計和采煤工藝與先進開采設計和自動智能采煤工藝之間的矛盾，探索與分析發展方向，研究解決對策，并推廣實踐。

1.1 北七采區概況

1.1.1 地質條件

北七采區開采井田下組煤8 號、9 號煤層，其中，8 號煤層儲藏穩定，全區可采，平均厚度3.20 m，煤層結構復雜，頂板依次為平均厚度0.5 m 頁巖、2.65 m 石灰巖（廟溝灰巖）以及平均厚度8.7 m 石灰巖（中部夾硅質頁巖），底板依次為平均厚度0.3 m頁巖及平均厚度3.5 m 中細砂巖；9 號煤層儲藏穩定，全區可采，平均厚度3.6 m，頂板為8 號煤層底板，底板依次為平均厚度3.3 m 砂質頁巖與平均厚度5.0 m 中細砂巖。

1.1.2 采區瓦斯地質條件

北七采區煤層埋藏深度自東南向西北逐漸增大，煤層瓦斯含量從東南向西北逐漸增大，8 號煤層原始瓦斯含量為8～11 m3/t；開采期間絕對瓦斯涌出量為25～40 m3/min，相對瓦斯涌出量為5～7 m3/t；9 號煤層原始瓦斯含量為4～6 m3/t，回采期間絕對瓦斯涌出量為3～6 m3/min，相對瓦斯涌出量為2～4 m3/t，均無煤與瓦斯突出危險，具有煤塵爆炸性，為Ⅱ級自燃煤層，地溫正常。

1.2 瓦斯治理措施分析

北七采區8 號煤層瓦斯來源主要是本煤層、下鄰近層（9 號煤）、上鄰近層頂板裂隙帶瓦斯；9 號煤層瓦斯來源主要是本煤層與采空區瓦斯，礦井在8號煤層工作面采用本煤層打鉆抽采（抽采本煤層瓦斯）+8 號煤層下行穿9 號煤層鉆孔（部分抽采下鄰近層9 號煤層瓦斯）+頂板裂隙走向長鉆孔（孔徑Φ120 mm 鉆孔抽采采空區頂板裂隙帶瓦斯）+橫川插管抽采（橫川間距100 m、管徑Φ630 mm 抽采采空區瓦斯）相結合的瓦斯治理措施。在配風量2 000 m3/min 時，瓦斯抽采量為18～23 m3/min，風排瓦斯量為8～12 m3/min，回風流瓦斯濃度在0.5%～0.8%之間，回風上隅角瓦斯處于臨界態，瓦斯治理效果不理想，突出體現在下鄰近層瓦斯治理不徹底，未實現全覆蓋預抽；本煤層抽采設計不合理，初采未采、構造區域未加密布孔；本煤層瓦斯預抽徹底，煤層鉆孔未增透，預抽不達標；頂板高位裂隙孔設計層位不合理，鉆孔打設在頂板冒落帶，未打至裂隙帶；插管抽采間距大且端頭頂板冒落不充分，回風隅角風流處于微出風狀態，造成回采上隅角經常性臨界甚至超限，未實現高瓦斯工作面低瓦斯狀態下回采。

9 號煤層工作面由于與上覆8 號煤層為近間距煤層，8 號煤層工作面的回采已解放9 號煤層工作面瓦斯，故9 號煤層工作面瓦斯治理主要是回風上隅角懸管抽采與風排治理瓦斯，治理效果較為理想，開采期間上隅角瓦斯濃度為0.3%～0.5%之間，回風流瓦斯為0.3%～0.4%之間（9 號煤層采煤工作面瓦斯治理抽采系統圖見圖1）。

圖1 采區優化后開采設計與瓦斯治理對策

為適合煤炭開采技術革命的需要，決定實施大采區、大采長、大走向、智能化開采技術，并針對由于開采設計與裝備技術的變化引起的瓦斯涌出的變化，研討與探索立體、分源、精準式綜合瓦斯治理對策。

2 優化設計后瓦斯治理對策

針對大采長、長走向、大儲量、智能化開采技術的發展現狀，本著瓦斯治理以“超前治理為核心、采中治理為補充”的原則，在瓦斯治理對策進行了研究、優化。

2.1 瓦斯治理措施及分析

長采長、大儲量工作面在瓦斯原始含量不變前提下，絕對瓦斯涌出量呈現增加趨勢，達到35～50 m3/min，為此，采取瓦斯預抽與治理措施：

1）施工底抽巷。在8 號煤層2 個工作面之間的煤柱（煤柱寬度40 m）9 號煤層中設計施工底抽巷，然后底抽巷中利用ZDY10000LPS 型定向鉆機，向兩側施工9 號煤本煤層鉆孔，鉆孔間距6 m、鉆孔與巷道中線夾角成90°、孔徑Φ113 mm、孔深315 m，并且每個鉆孔均采取CO2預裂技術，增加煤層解吸與透氣性；9 號煤低抽巷抽采鉆孔預抽瓦斯量為6～8 m3/min，有效解決了開采期間下鄰近層由開采卸壓大量瓦斯解吸涌入工作面及采空區問題。

2）施工本煤層鉆孔。在8 號煤層工作面回風順槽內采用水力割縫增透技術施工本煤層鉆孔，工作面初采末采100 m 范圍內、距斷層中心位置兩側30 m 范圍內、陷落柱區域內以及工作面坑透異常區域進行加密鉆孔施工，間距為6 m，其余正常區域本煤層鉆孔間距8 m 布置。第一個本煤層鉆孔決定從切眼向外6 m 處開始布置，鉆孔與巷道中線夾角成90°，鉆孔的傾角為4°～6°，鉆孔孔徑Φ113 mm；鉆孔的深度按切眼長度減15 m 設計，則本煤層鉆孔深度為315 m，經實測本煤層鉆孔預抽瓦斯量10～15 m3/min。

3）施工頂板走向高位大孔徑長鉆孔。在工作面回風順槽每500 m 施工一個寬8 m，深5 m，高3.2 m的鉆場，每個鉆場施工6 個距回風順槽煤壁30～80 m 之間，垂高40～60 m 之間的直徑為Φ203 mm、長度為600 m 的頂板裂隙走向大孔徑鉆孔，主要是抽采因開采造成上鄰近層由于開采卸壓解吸而釋放至采空區的瓦斯，進而降低采空區瓦斯流向工作面及回風上隅角的瓦斯量，防止回風上隅角瓦斯超限，經實測，頂板裂隙走向大孔徑長鉆孔抽采量6～8 m3/min。

4）施工頂板高位裂隙大孔徑鉆孔。在瓦斯治理巷每隔20 m 施工一組兩個高位裂隙帶大孔徑頂板鉆孔（鉆孔終孔伸入工作面水平投影距離至少30 m），切眼向外40 m 處開始施工，鉆孔孔徑Φ165 mm，每個鉆場布置2 個孔，1 號、2 號孔開孔位置在巷道頂、幫交界處成扇形布置，鉆孔終孔垂高取40～50 m 之間；鉆孔傾角為40°、44°，鉆孔與巷道夾角為30°、41.2°，孔深60～80 m 之間，即終孔位置處于采煤工作面回風側端頭裂隙帶范圍內，重點是抽采回風上隅角裂隙帶及采空區瓦斯，經實測，高位裂隙帶大孔徑鉆孔抽采量3～5 m3/min。

5）施工超大孔徑煤巖柱鉆孔。在瓦斯治理巷向準備回采工作面回風順槽內施工Φ500 mm 大孔徑煤巖層鉆孔代替橫川抽采，工作面切割向外300 m以及停采線以里150 m,鉆場間距20 m，鉆孔間距5 m，其余巷道段，鉆孔間距18 m，鉆孔與巷道中線夾角呈120°，鉆孔深度為40～60 m，從而徹底解決了回風上隅角在回采期間瓦斯超限現象，實現了安全回采，經實測，工作面在回采期間超大孔徑煤巖柱孔瓦斯抽采量3～5 m3/min。

2.2 瓦斯治理對策效果分析

采取措施后，經抽采效果預測及實際瓦斯參數測定，分析如下：

1）工作面噸煤瓦斯含量降低，噸煤瓦斯含量可降至5 m3/t。8 號煤層長采長、大儲量工作面的瓦斯原始含量8～11 m3/t，瓦斯儲量833 萬m3，本煤層抽采濃度為45%，抽采純瓦斯流量10～15 m3/min，混合瓦斯流量15 m3/min。工作面回采前可預抽采瓦斯總量136.08 萬m3，噸煤瓦斯含量可降至5 m3/t＜8 m3/t，符合要求。

2）工作面本煤層鉆孔預抽率提高，瓦斯預抽率為45%。根據瓦斯抽采達標評判實施細則，煤層瓦斯預抽率為45%＞30%，符合要求。

3）工作面開采前噸煤可解析瓦斯量提升。根據《煤礦瓦斯抽采基本指標AQ 1026—2006》相關要求，采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量Wj依據如下計算并經實際參數測定，工作面瓦斯可解吸量為4.75 m3/t，采煤工作面預計日產量6 500 t，煤層瓦斯可解吸量符合要求。

4）工作面總體抽采率提高。根據公式進行計算，工作面瓦斯抽采率ηm=80.99%＞40%（工作面瓦斯抽采量19 m3/min，絕對瓦斯涌出量50 m3/min）。

總之，采煤面瓦斯涌出量降低，瓦斯抽采率提升，總體抽采瓦斯量43～45 m3/min，風排瓦斯量5～7 m3/min。

3 效果分析

超長壁采煤面瓦斯治理措施的創新，通過采取“本煤層水力割縫鉆孔抽采+底抽巷下鄰近層CO2預裂抽采+頂板高位走向大孔徑長鉆孔抽采+頂板裂隙高位走向大孔徑抽采+瓦斯治理巷超大孔徑煤巖柱鉆孔抽采”相結合的立體式、分源式、精準式綜合瓦斯治理措施取得了顯著的比較效益。

4 結論

隨著煤炭開采科技革命的全面變革，煤炭開采設計、裝備提升、災害治理也必將迎來重大變革：一是大采區、大采長、大走向、大儲量工作面必將成為未來開采設計的方向，可提高工作面單產水平；二是數字化、信息化、智能化相結合，也必將成為未來煤炭采掘工藝改革方向，安全生產具有多重保障；三是在瓦斯治理上超前采取立體式、分源式、精準式綜合瓦斯治理措施，將實現高瓦斯工作面低瓦斯狀態下生產的全新標準。