烏東礦北采區B3-6 煤層瓦斯抽采可行性研究

單大闊

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

0 引 言

礦井瓦斯是煤礦五大災害之一，瓦斯涌出問題嚴重制約著大部分煤礦的安全高效生產。瓦斯抽采是治理礦井瓦斯最直接有效的方法，《煤礦安全規程》之中也對礦井是否需要建設瓦斯抽采系統進行了明確規定，但由于煤層性質及賦存條件各不相同，煤層瓦斯抽采是否具有可行性和必要性也需要針對礦井條件特定分析[1]。

1 礦井概況

烏東礦隸屬與國家能源集團，位于烏魯木齊東北部，行政區劃隸屬烏魯木齊市米東區。礦井共布置3 個采區，礦井主要開采B1-2、B3-6 煤層，設計生產能力6.0 Mt/a[2]。B3-6 煤層傾角為42°～59°，總厚27.88 m，有益厚度19.43 m，煤層結構復雜，屬急傾斜巨厚煤層。B3-6 煤層采用水平分段開采方式，全部垮落法管理頂板，階段高度20 m，工作面采用“U”型通風系統，每一分層進、回風順槽均沿煤層頂底板平行布置。

2 煤層瓦斯參數分析

2.1 煤層瓦斯含量

按照井下直接測定煤層瓦斯含量的技術要求，在烏東礦北采區+400 m 軌道石門距煤層底板10 m處施工煤層測壓鉆孔時取煤樣，根據井下及實驗室對煤樣解吸的測定結果，可得到烏東礦B3-6 煤層準確的瓦斯含量數據，見表1[3]。

表1 瓦斯含量測定結果

2.2 煤層鉆孔自然瓦斯涌出量及其衰減系數

衡量煤層瓦斯預抽難易程度的重要指標之一是鉆孔自然瓦斯涌出量及其衰減系數，烏東礦北采區B3-6 煤層測定地點選擇在+575 m B3-6 南巷，首先在+575 m B3-6 南巷140、160 m 處各施工1 個鉆孔，由于鉆孔自然瓦斯涌出量隨著時間的延續是逐漸減小的，鉆孔封孔完畢后不進行密封，并采用多級流量計觀測自然瓦斯涌出量的變化情況[4]。數據觀測結束后，利用最小二乘法將測得的數據回歸計算，烏東礦北采區B3-6 煤層鉆孔自然瓦斯涌出量衰減系數和百米煤層鉆孔初始瓦斯涌出量見表2。

表2 鉆孔自然瓦斯涌出量衰減系數及百米煤孔極限瓦斯涌出量

2.3 煤層透氣性系數

衡量煤層瓦斯預抽難易程度的另一項重要指標是煤層透氣性系數，煤層透氣性系數可利用測得的煤層瓦斯徑向不穩定流量來計算[5]。當煤層測壓鉆孔壓力值穩定后，取下壓力表，在第二天同一時間測定鉆孔瓦斯流量即可計算煤層透氣性系數，各鉆孔測定結果見表3、表4 所示。

表3 煤層透氣性系數數據測定結果

表4 煤層透氣性系數計算表

3 礦井瓦斯涌出量預測

3.1 瓦斯涌出量預測方法及預測基本條件

瓦斯涌出量預測是礦井瓦斯防治工作中的重要內容，根據烏東礦開采現狀、煤層賦存條件及瓦斯涌出的源匯關系按照《礦井瓦斯涌出量預測方法》對烏東礦北采區B3-6 煤層回采工作面和掘進工作面的瓦斯涌出量進行預測，

B3-6 煤層工作面日產量約為5 500 t，回采率為93 %，階段開采平均高度為20 m，煤層受采動影響的瓦斯排放率為45 %[6]，煤的視密度為1.54 t/m3；掘進工作面順槽掘進速度約為350 m/ mon，掘進巷道斷面積12.8 m2，巷道斷面周長10 m。

3.2 北采區+400m 水平B3-6 煤層瓦斯涌出量預測

烏東礦北采區B3-6 煤層工作面瓦斯涌出主要來源為本煤層、鄰近層及下階段B3-6 煤層煤體瓦斯。工作面瓦斯涌出量與其產量關系密切，隨著采煤工作面產量的增加，其絕對瓦斯涌出量也成比例增加；掘進工作面的掘進速度越快，則掘進工作面的瓦斯涌出量也越大。B3-6 煤層工作面瓦斯涌出量預測結果見表5。

4 北采區瓦斯抽采可行性論證

4.1 瓦斯抽采的必要性

4.1.1 從瓦斯涌出量預測結果分析瓦斯抽采的必要性

當礦井內單一采煤工作面和單一掘進工作面絕對瓦斯涌出量分別大于5 m3/min 和3 m3/min，且采用通風方法解決不合理時，礦方必須按照規定建立地面永久瓦斯抽采系統或井下臨時抽采系統。

表5 +400m 水平B3-6 煤層采煤、掘進工作面瓦斯涌出量預測結果

烏東礦北采區+400 m 水平開采B3-6 煤層達產后，工作面日產量可達5 500 t，此時回采工作面相對瓦斯涌出量為6.96 m3/t，絕對瓦斯瓦斯涌出量可達26.58 m3/min，遠大于5 m3/min；綜掘工作面月進尺350 m/mon 時，其絕對瓦斯涌出量3.05 m3/min，大于3 m3/min。此外，隨著采深的增加，沿煤層傾向上瓦斯含量也逐漸增大，礦井瓦斯涌出量隨著老采空區的增多將會有較大的增幅，無法單靠通風方法解決工作面回風流和上隅角瓦斯問題。因此，從保證安全角度分析，對烏東礦北采區對B3-6 煤層進行瓦斯抽采是必要的。

4.1.2 從礦井通風能力分析瓦斯抽采的必要性

當B3-6 煤層采掘工作面通風能力所能解決的瓦斯涌出量小于工作面瓦斯涌量時，應當進行瓦斯抽采，是否需要進行瓦斯抽采常以式（1）判斷[7]：

式中：ν為工作面允許的最大風速，4 m/s；S為工作面最小通風斷面，5 m2；c為允許風流中的瓦斯濃度，0.8 %；k為瓦斯涌出不均衡系數，取1.5。計算可得qy=6.4 m3/min。達產時期，B3-6 煤層工作面瓦斯涌出量可達26.58 m3/min，礦井通風能力明顯不能提供足夠的風量稀釋涌出的瓦斯，且B3-6 工作面采用綜采放頂煤開采工藝，在回采期間，高速的風流會吹起大部分煤層，嚴重威脅作業人員的健康和工作面的安全。因此，從通風能力看烏東礦北采區已具備建立抽采瓦斯系統的必要條件。

4.1.3 從資源和環保的角度分析瓦斯抽采的必要性

瓦斯主要成分為CH4，其熱值較高，可視為一種優質的能源；但CH4產生的溫室效應是CO2的21倍，可破壞地球大氣的臭氧層，污染大氣環境，是主要的溫室氣體之一，對礦井瓦斯加以利用，可帶來顯著的經濟和社會效益[8]。根據礦井相關資料，烏東礦瓦斯資源比較豐富，僅北采區+400 m 水平B3-6 煤層瓦斯儲量就達到462.5 Mm3，具有開發利用瓦斯的條件。因此，從資源和環保角度進行分析，烏東礦北采區有必要對北采區B3-6 煤層進行瓦斯抽采工作。

4.2 瓦斯抽采的可行性

4.2.1 本煤層瓦斯抽采的可行性

本煤層瓦斯抽采（采前預抽）是否可行主要依據煤層的透氣性系數與鉆孔瓦斯流量衰減系數進行綜合判斷，利用這兩個指標可將預抽瓦斯的難易程度分為三類，劃分方法及烏東礦本煤層瓦斯抽采難易程度劃分結果如表6、表7 所示。

表6 煤層預抽瓦斯難易程度分類

表7 烏東礦本煤層瓦斯抽采難易程度評價結果

根據劃分結果可以看出，烏東礦北采區B3-6 煤層可以進行本煤層瓦斯抽采工作。采用分階段開采時，開采階段下部煤層由于卸壓而產生大量裂隙，可在深部水平施工預抽巷（回采時期可作為工作面順槽），為強化抽采效果，可在預抽巷內采用順層鉆孔預抽泄壓煤體瓦斯，保證下階段煤體回采期間瓦斯涌出量不超限[9]。

4.2.2 采空區瓦斯抽采的可行性

在烏東礦北采區B3-6 煤層工作面回采期間，下階段煤體和圍巖受采動影響卸壓，向采空區釋放大量瓦斯。此外，采用綜放開采工藝會導致采空區遺煤較多，煤體破碎后也會釋放瓦斯，會造成工作面回風隅角瓦斯超限[10]。

考慮到采空區遺煤氧化發熱自然發火傾向性，若強化抽采B3-6 煤層工作面采空區，會改變采空區氣體流場，造成采空區氧化帶內遺煤供氧量增加，不利于防止采空區自然發火。為防止采空區煤炭自然發火同時減少采空區瓦斯涌出，在抽采采空區瓦斯期間應不斷調整采空區瓦斯抽采量及抽采區域。煤層經預抽后，工作面上隅角也可能出現瓦斯超限現象，應采用2 種以上瓦斯抽采方法綜合治理煤層瓦斯，根據類似礦井經驗，可配合采用上隅角插管法治理采空區淺部瓦斯。因此，烏東礦適量抽采采空區瓦斯是可行的。

5 結 語

通過對烏東礦北采區+400 m B3-6 煤層瓦斯基礎參數的測定和瓦斯涌出量的預測，從瓦斯抽采相關技術指標、保障安全及資源和環保的角度進行分析，烏東礦有必要對北采區B3-6 煤層進行瓦斯抽采；烏東礦對B3-6 煤層采前預抽、卸壓抽采或采用上隅角插管抽采采空區瓦斯是可行的，這對保證礦井安全高效生產意義重大。