煤礦井下綜采面瓦斯治理研究

陳景明，金守寬，潘君偉，王宏斌

(河南能源化工集團 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

煤礦資源是我國能源結構體系中非常關鍵和重要的構成部分，煤礦資源的正常供應對人們的正常生活和工業生產都有非常顯著的影響[1]。為了順應社會對煤礦資源需求量的不斷提升，我國每年都要開采大量的煤礦資源。隨著煤礦資源開采的不斷推進，當前煤礦開采正朝著縱深方向發展，礦井深度越來越深，使得煤礦開采環境越來越復雜[2]。一直以來，瓦斯涌出是煤礦開采中不可避免的問題，也是威脅煤礦安全生產的重要根源之一[3]。井內瓦斯濃度過高非常容易引發爆炸等安全事故，近年來我國很多煤礦中均出現了此類問題，對井下人員的身心健康甚至生命安全都構成了威脅[4]。如何對復雜環境下的礦井瓦斯問題進行治理，是煤礦企業面臨的關鍵和瓶頸問題。基于此，有必要結合礦井實際情況對其瓦斯涌出規律進行分析，并提出針對性的瓦斯治理措施，有保障礦井的安全生產[5]。本文主要以某煤礦為案例，對綜采工作面中的瓦斯治理工作進行了詳細介紹，對于保障綜采工作面的安全生產具有重要的理論和實踐意義。

1 綜采工作面基本情況及瓦斯來源

某煤礦的井田面積大約為48 km2，目前已經探明的煤礦儲量達到了7.35億t，并且全部屬于優質煤礦。2019年針對礦井進行瓦斯等級鑒定時，確定的瓦斯相對涌出量和絕對涌出量分別為3.99 m3/t和53.45 m3/min，鑒定結果屬于高瓦斯礦井。其中，8號煤層屬于二類自燃煤層，煤塵存在爆炸性風險。本文主要以8號煤層的81306綜采工作面為對象進行研究。煤層底板的高度在691～722 m，整個煤層大致為南北走向，煤層傾角在4°～6°內，平均傾角為5°。煤層的厚度在6.11～9.19 m內，平均厚度為7 m。煤層底板厚度在3.09～9.21 m，主要由粗砂巖和粉砂巖等構成。

2 綜采工作面瓦斯涌出量預測計算

2.1 開采層瓦斯涌出量的計算

根據以往的實踐經驗和理論分析，可以利用對開采層的相對瓦斯涌出量進行準確計算：

(1)

式中，K1為圍巖屬性對瓦斯涌出的影響系數，考慮到相鄰層的影響可以將其取為1.11；K2為工作面煤礦回采率的倒數，或稱之為丟煤系數，根據本煤層情況可以取值為1.11；K2為瓦斯預排工作對瓦斯涌出量的影響，將其取值為0.8。

根據實測結果，W0的取值為3.52 m3/t，煤塊殘留瓦斯含量與其原始瓦斯含量之間的函數曲線關系如圖1所示，可以確定Wc的取值為1.26 m3/t。

圖1 煤塊殘留瓦斯含量與其原始瓦斯含量之間的函數曲線關系Fig.1 Function curve relationship between residual gas content and original gas content of coal block

將81306綜采工作面相關參數以及上文所述的各參數取值，代入到上述方程中進行計算，最終得到的工作面相對瓦斯涌出量大小為1.26 m3/t。

2.2 鄰近煤層引起的相對瓦斯涌出量

經過分析認為，對8號煤層的瓦斯涌出量產生顯著影響的煤層主要包含2個，分別為附近的10號煤層和11號煤層，其他煤層如6號、7號和9號煤層對8號煤層的瓦斯涌出量的影響相對較小，本研究中將其忽略處理。受鄰近煤層影響導致本煤層產生的相對瓦斯涌出量大小可以根據下式進行計算：

(2)

式中，m0為本煤層的厚度大小；mi為本煤層第i個相鄰煤層的厚度大小；Ki為在第i個相鄰煤層的擾動影響下，本煤層的瓦斯排放率；W0i和Wci分別為第i個相鄰煤層中的原始瓦斯含量和煤層中殘留的瓦斯含量大小。

10號煤層和11號煤層的平均厚度大小分別為1.45 m和1.73 m，2個煤層與8號煤層之間的間距大小分別為28 m和32 m，2個煤層的瓦斯排放效率分別為0.19和0.2，2個煤層的原始瓦斯含量大小全部取4.724 m3/t，煤層中殘留的瓦斯含量大小全部取0.72 m3/t。基于以上數據可以計算得到10號煤層和11號煤層對8號煤層瓦斯涌出量的影響量分別為0.166 m3/t和0.159 m3/t。則可以計算得到Q2的數值為0.325 m3/t。

2.3 工作面實際瓦斯涌出量計算

在已知綜采工作面煤層相對瓦斯涌出量，以及在鄰近煤層對本煤層瓦斯涌出量的影響數據的基礎上，可以根據計算得到本煤層的實際相對瓦斯涌出量大小：

Q回=Q1+Q2

(3)

式中，Q回、Q1、Q2分別為綜采工作面實際瓦斯相對涌出量、本煤層相對瓦斯涌出量、在鄰近煤層影響下本煤層的相對瓦斯量涌出量。

將Q1和Q2代入式(3)中可以計算得到，Q回為1.585 m3/t。本文所述的81306綜采工作面年平均開采800萬t，假設每年工作330 d，則平均每天的開采量為2.4萬t。考慮到每天開采量的不均衡性，將不均衡系數取值為1.2，則每天開采得到的煤礦重量最大為2.88萬t。基于此可以計算得到綜采工作面的絕對瓦斯涌出量大小為Q絕=31.7 m3/min。

3 綜采工作面瓦斯綜合治理措施研究

3.1 瓦斯綜合治理主要思路

對瓦斯進行治理的思路主要可以分為兩大類，其一為利用通風機對礦井瓦斯進行排除，其二是采用瓦斯抽采方式提前將瓦斯排除[6]。對于瓦斯涌出量相對較小的礦井，通過增加通風量、增加通風設施等方式可以在一定程度上稀釋礦井中的瓦斯濃度，從而起到瓦斯治理的效果。但是對于瓦斯涌出量相對較大的礦井，簡單地利用增加通風量的方式難以起到很好的效果[7]。本案例中81306綜采工作面不僅本層的瓦斯涌出量相對較大，而且鄰近采空區的瓦斯涌出量也居高不下，所以采用第一種治理措施難以達到實際需要，需要通過瓦斯抽采方式對其進行治理。

針對81306綜采工作面自身煤層瓦斯涌出量較大的問題，可以采用預抽方式對瓦斯進行排除，從而降低本層瓦斯的涌出量。針對鄰近煤層瓦斯濃度較高且與本煤層距離相對較近的問題，可以采用高抽巷和鉆孔方式進行抽采，從而降低臨近煤層的瓦斯濃度。另外，考慮到81306綜采工作面采用的是U型通風模式，在這種模式下上隅角特別容易集聚瓦斯，使該部位的瓦斯濃度較高，另外采空區遺留的煤炭量相對較大。因此，可以在采空區進行埋管，對該部位的瓦斯進行抽采，從而降低采空區和上隅角部位的瓦斯濃度。綜采工作面瓦斯治理措施思路如圖2所示。

圖2 綜采工作面瓦斯治理措施思路Fig.2 Thoughts on gas control measures in fully-mechanized working face

3.2 瓦斯治理措施選擇及參數確定

(1)高抽巷參數確定。經過前期分析發現煤層頂板的垮落帶高度和裂隙帶高度分別在7.3～13.5 m和13.5～48.3 m內。根據以往的實踐經驗表明，將高位瓦斯巷設置在裂隙帶高度內可以起到很好的瓦斯抽采效果。基于此，確定的高抽巷與煤層底板之間在垂直方向上的距離為20 m。在確定高抽巷水平位置時同樣需要確保其處于塌落帶以內，也要考慮到綜采工作面通風對瓦斯抽采的影響。結合實際情況，本綜采工作面將高抽巷放置在與回風巷水平方向距離25 m的位置。

(2)綜采工作面預抽鉆孔參數確定。針對綜采工作面開展預抽瓦斯工作，預抽時間是非常重要和關鍵的參數，對預抽效果產生決定性的影響[8]。結合綜采工作面實際情況計算得到的預計抽采總量和鉆孔有效系數與預抽時間的關系曲線如圖3所示。由圖3中數據可以看出，預抽采時間為5、11個月時，對應的鉆孔有效系數為60%、97%。在綜合考慮煤礦生產效率以及瓦斯預抽效果的基礎上，本研究中將預抽采時間控制在6個月。

圖3 預計抽采總量和鉆孔有效系數與預抽時間的關系曲線Fig.3 Curve of relationship between estimated total pumping volume，borehole effective coefficient and pre pumping time

預抽鉆孔參數同樣會對預抽效果產生非常重要的影響，結合實際情況設計的綜采工作面預抽鉆孔布置情況如圖4所示。

圖4 綜采工作面預抽鉆孔示意Fig.4 Schematic diagram of pre extraction drilling in fully-mechanized working face

鉆孔間距為3 m，與底板之間的距離控制在1.2 m左右，鉆孔直徑為113 mm。進風巷和回風巷側的鉆孔深度分別為110，80 m。

(3)高位鉆孔參數確定。高位鉆孔瓦斯抽采可以對高抽巷進行補充，進一步加強瓦斯抽采的效果。為了保障高位鉆孔的效果，可以將其設置在裂隙帶以內。在對鉆孔高度進行確定時，不僅需要照顧瓦斯抽采的效果，也要考慮到鉆孔施工的難易程度及施工效率和成本等。本研究中確定的高位鉆孔與工作面頂板之間的垂直距離為30～40 m。通常情況下鉆孔長度與其瓦斯抽采效果之間成正比例關系，即鉆孔深度越深則抽采效果越好，但是意味著鉆孔的成本回增加、鉆孔效率會降低。在綜合考慮鉆孔施工成本和瓦斯抽采效果的基礎上，確定的高位鉆孔長度大小為100 m左右。綜采工作面在不斷向前推進的過程中，上一鉆場對工作面的瓦斯抽采效果會逐漸降低，而后一鉆場對工作面的瓦斯抽采效果會逐漸降低，相鄰2個鉆場之間通常會存在重疊的部分同時對工作面的瓦斯產生抽采效果，此部分稱為壓茬。壓茬的長度越長意味著工作面瓦斯抽采效果越穩定、效果越好；相反的，壓茬長度越小會對工作面瓦斯抽采的穩定性產生影響。但是過大的壓茬長度會在一定程度上增加鉆孔的成本。因此，針對具體的情況會存在最大和最小壓茬距離長度，可以根據下式進行計算：

(4)

式中，Bmin和Bmax分別為相鄰鉆場之間的最小和最大壓茬距離長度；c為前一鉆場抽采時的盲區長度，取為5 m；α和Lz分別表示工作面的塌落角和塌落步距，分別取為57°和15.1 m；h為高位鉆孔在垂直方向上的高度大小。

圖5 鉆場之間的最小壓茬長度示意Fig.5 Schematic diagram of minimum stubble length between drilling fields

基于以上數據可以計算得到鉆場之間的最小和最大壓茬距離長度分別為25.5、40.6 m。根據計算結果，確定鉆場壓茬距離長度為33 m。

3.3 采空區埋管抽采參數確定

經過分析發現81306綜采工作面采空區瓦斯涌出帶以及過渡帶的深度分布在15～20 m內。在充分借鑒其他工作面實踐經驗的基礎上，將抽采口設置在距離工作面20 m的位置，抽采口高度的設置為2.5 m。采空區埋管抽放情況示意如圖6所示。

圖6 埋管抽放情況示意Fig.6 Schematic diagram of buried pipe pumping

在采空區進行埋管抽采時，管道的直徑大小會對抽采效率產生非常直接的影響[9]。如果采空區的瓦斯濃度基本恒定，那么設置的埋管直徑越大意味著瓦斯抽采效果越好。但是管道直徑越大意味著抽采時的瓦斯流動速度越小，另外施工成本也會越高。所以在確定埋管直徑大小時，需要綜合考慮以上多方面的因素。本案例中，在充分考慮本煤礦實際情況的基礎上，借鑒已有的經驗公式進行計算，確定的埋管直徑大小為230 mm。抽采過程中負壓大小同樣是比較關鍵的工藝參數，必須進行嚴格控制。如果抽采時負壓太小，就難以降低采空區埋管部位的瓦斯濃度，進而難以控制上隅角部位的瓦斯濃度。相反的，如果抽采時的負壓過大會加大采空區的漏風量，從而加大采空區氧氣的比例，對于井下防火非常不利。綜合考慮以上方面的因素，確定的抽采負壓大小為5 000 Pa。

4 綜采工作面瓦斯治理效果分析評價

4.1 鉆孔預抽效果分析

為了治理工作面瓦斯，根據前期的瓦斯治理整體方案，需要在正式開采前設置鉆孔對其進行預抽處理[10]。根據礦井鉆孔規范以及礦井瓦斯抽采經驗，可以將鉆孔的間距設置為3 m。本工程項目在進風巷中共設置了310個鉆孔，實際的鉆孔長度超過了34 km，回風巷總共設置了312個鉆孔，實際的鉆孔長度超過了25 km。瓦斯預抽時間持續6個月，在預抽時間內進風巷和回風巷的瓦斯抽采量分別達到了167.4萬m3和90.1萬m3，瓦斯抽采率均超過了60%，基本達到了預期的效果。綜采工作面鉆孔預抽的抽采量變化情況如圖7所示。

4.2 瓦斯抽采效果分析

完成鉆孔預抽工作以后，開始對綜采工作面進行回采。整個采煤期間每天都會對瓦斯的排放量以及每天的回采量進行具體統計分析，以此來計算瓦斯抽采效果。通過對統計數據的分析發現，高抽巷、穿層鉆孔、采空區埋管的平均抽采純量大小以此為12.9 m3/min、5.1 m3/min和2.5 m3/min，對應的平均濃度大小分別為36.1%、51.2%和6.7%，在整個抽采總存量中占據的比例依次為62.9%、24.9%、12.2%。基于以上數據進行分析發現平均的瓦斯抽采率超過了89%，而根據《煤礦安全規程》中相關的規定，瓦斯抽采率必須超過40%。可見本案例中的瓦斯抽采率遠遠超過了國家安全標準，在實踐中取得了非常好的效果。如綜采工作面采煤期間的瓦斯抽排量情況統計圖8所示。

圖8 綜采工作面采煤期間的瓦斯抽排量情況統計Fig.8 Statistics of gas drainage during coal mining of fully-mechanized working face

4.3 綜采工作面瓦斯濃度分析

綜采工作面上隅角和回風巷中瓦斯濃度隨時間的變化統計情況如圖9所示。而根據我國頒布的煤礦安全規程中的要求，煤礦礦井內部的瓦斯濃度必須控制在1%以內。從圖中的數據可以看出，工作面的上隅角和回風巷中的瓦斯濃度均控制在了0.8%以內，完全能夠滿足規范標準要求，可以有效保障礦井的生產安全。可見，通過本文所述的瓦斯治理方案取得了很好的效果，有效控制了礦井中的瓦斯濃度，為煤礦的安全生產奠定了堅實的基礎。

圖9 綜采工作面采煤期間的瓦斯濃度檢測統計情況Fig.9 Detection and statistics of gas concentration in fully-mechanized working face during coal mining

5 結論

本文主要以某高瓦斯綜采工作面為案例，結合實際情況對其瓦斯治理工作進行了詳細的研究。

(1)在對81306綜采工作面附近的煤層和采空區進行綜合分析的基礎上，對該工作面的相對瓦斯涌出量和絕對瓦斯涌出量進行了詳細的計算，結果發現其大小分別為1.585 m3/t和31.7 m3/min，屬于高瓦斯礦井。

(2)從工作面瓦斯預抽、高抽巷、高位鉆孔抽采、采空區埋管抽采等多個方面詳細介紹了81306綜采工作面瓦斯治理的綜合措施。對相關抽采方案中的技術參數進行了詳細的設計計算，確保瓦斯治理方案的科學性與合理性。

(3)將設計的綜采工作面瓦斯治理技術方案部署到工程實踐中，并嚴格按照相關技術參數執行，最終取得了很好的效果。特別是將上隅角和回風巷中的瓦斯濃度控制在了0.8%以內，有效保障了礦井的瓦斯安全，為煤礦企業創造了良好的安全效益和經濟效益。