李陽煤礦15501 綜采工作面瓦斯綜合治理技術

嚴書政

（煤炭工業太原設計研究院集團有限公司，山西 太原 030000）

瓦斯事故是威脅煤礦安全生產的重要因素[1]。目前，常用的瓦斯治理方法有地面鉆井預抽、本煤層抽采、鄰近層抽采和采空區抽采等[2-3]。高瓦斯厚煤層放頂煤開采時，受工作面高產及放頂時頂煤瞬間垮落影響，煤層中大量積聚瓦斯釋放，極易造成工作面和回風流瓦斯濃度超限[4-5]。單一的瓦斯治理措施難以有效治理瓦斯問題[6]。李陽煤礦為高瓦斯礦井，受工作面U 型通風影響，工作面上隅角和回風流瓦斯濃度超限，嚴重影響安全生產。

1 工程概況

李陽煤礦現開采15 號煤層，煤層平均埋深為360 m，均厚5.56 m，平均傾角9°。15 號煤孔隙率為2.86%～3.97%，瓦斯最大含量為12.7 m3/t，瓦斯壓力為0.03～0.60 MPa，百米鉆孔初始瓦斯涌出量為4.19～4.57 L/min，百米鉆孔自然瓦斯流量衰減系數為0.144～0.158 d-1，透氣性系數為0.107 3～0.372 2 m2/MPa2·d，屬可抽采厚煤層。15501 工作面位于五采區，南側和西側為邊界煤柱，北為五采區大巷，東鄰15502 工作面。工作面傾向長度為180 m，走向長度為2015 m，可采走向長度為1515 m，共布置15501 膠帶順槽、輔運順槽和高抽巷三條巷道。全礦井采用分區式通風系統，機械抽出式通風方法，工作面采用“U”型通風方式，15501 膠帶順槽進風，15501 輔運順槽回風。工作面順槽均采用矩形斷面，尺寸為4500 mm×3600 mm（凈寬×凈高），設計長度為1577 m；15501 高抽巷為矩形斷面，尺寸為4000 mm×3000 mm（凈寬×凈高），設計長度1650 m。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板。

2 工作面瓦斯來源分析及涌出量預測

2.1 工作面瓦斯來源分析

15 號煤工作面回采期間瓦斯來源主要有割煤瓦斯涌出、放頂煤瓦斯涌出、采空區遺煤瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出。回采工作面最大瓦斯涌出量為48.53 m3/min，其中開采層瓦斯涌出量為30.49 m3/min，占62.82%；鄰近層瓦斯涌出量為18.04 m3/min，占37.18%。故15 號煤瓦斯來源主要是回采工作面和采空區。

2.2 工作面瓦斯涌出量預測

工作面相對瓦斯涌出量qc可通過式（1）計算：

式中：q1為割煤相對瓦斯涌出量，m3/t；q2為放煤相對瓦斯涌出量，m3/t；q3為工作面采空區相對瓦斯涌出量，m3/t；q4為鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t。

1）割煤相對瓦斯涌出量

割煤相對瓦斯涌出量q1可通過式（2）計算：

式中：K1為圍巖瓦斯涌出系數，取1.3；K2為采區內準備巷道預排瓦斯對工作面煤體瓦斯涌出影響系數；Kfi為第i分層瓦斯涌出影響系數，取1；m1為割煤高度，取3.0 m；M為開采煤層厚度，取5.56 m；W0為煤層瓦斯含量，取12.7 m3/t；Wc為煤的殘存瓦斯含量，取2.08 m3/t；L為工作面長度，取180 m；h為巷道瓦斯預排等值寬度，取10.5 m。根據式（2）和（3）得K2=0.88，q1=6.56 m3/t。

2）放頂煤相對瓦斯涌出量

放頂煤相對瓦斯涌出量可采用式（4）計算：

式中：K3為放落煤體破碎度對放頂煤瓦斯涌出影響系數，取0.93；m2為放頂煤高度，取2.56 m；根據式（4）得q2=5.20 m3/t。

3）工作面采空區相對瓦斯涌出量

工作面采空區相對瓦斯涌出量可根據式（5）和（6）計算：

式中：qy為遺留煤相對瓦斯涌出量，m3/t；qf為下分層相對瓦斯涌出量，取0；K4為遺留煤瓦斯涌出不均衡系數，取1.3；K5為放頂煤回采率，取88%；根據式（5）和（6）得q3=1.66 m3/t。

4）鄰近層相對瓦斯涌出量

鄰近層相對瓦斯涌出量可根據式（7）計算：

式中：mi為第i個鄰近煤層厚度，m；ηi為第i個鄰近層瓦斯排放率，%；Woi為第i個鄰近煤層原始瓦斯含量，按15 號煤選取，m3/t；Wci為第i個鄰近煤層殘存瓦斯含量，按15 號煤選取，m3/t。鄰近層瓦斯涌出量見表1。根據式（7）得q4=7.94 m3/t。

表1 鄰近層瓦斯涌出量表

15 號煤工作面回采期間瓦斯相對涌出量qc=q1+q2+q3+q4=6.56+5.20+1.66+7.94=21.36 m3/t，絕對瓦斯涌出量為48.53 m3/min。

3 工作面瓦斯綜合治理技術方案

3.1 本煤層順層平行鉆孔抽采

本煤層順層平行鉆孔布置方式：沿膠帶順槽、軌道順槽向工作面布置雙排順層平行鉆孔，鉆孔呈三花布置，直徑113 mm，孔深100 m，孔間距1.8 m，鉆孔與煤層角度相同。上排鉆孔開孔及終孔位置距順槽頂板為2 m，下排鉆孔開孔及終孔位置距順槽底板為0.6 m。采用囊袋式帶壓注漿封孔工藝，孔口負壓13 kPa。根據15 號煤三采區本煤層順層平行鉆孔瓦斯抽采經驗，設計預抽時間為360 d。順層平行鉆孔抽采管路與順槽高負壓瓦斯抽采管路聯通，本煤層順層平行鉆孔布置情況如圖1。

圖1 本煤層順層平行鉆孔布置圖（m）

3.2 走向高抽巷抽采

因15 號煤工作面頂板冒落帶和裂隙帶最大高度分別為32.8 m 和65.6 m，故走向高抽巷布設位置為15 號煤頂板以上32.8～65.6 m。走向高抽巷頂板沿K3 石灰巖底板布置，K3 石灰巖距15 號煤層頂板35 m。根據工作面長度為180 m，設計走向高抽巷與15501 軌道順槽水平距離35 m，利用走向高抽巷閉墻上的插管對工作面采空區瓦斯進行抽采。走向高抽巷布置如圖2。

圖2 走向高抽巷布置圖

3.3 裂隙帶高位鉆孔抽采

回采工作面后方采空區裂隙帶和采空區部分瓦斯采用高位鉆孔進行抽采。在軌道順槽內布置鉆場，鉆場尺寸4000 mm×3600 mm×4000 mm（寬×高×深），間距66 m，鉆場內向回采方向頂板施工6 個扇形鉆孔，鉆孔直徑113 mm，終孔位置為采空區上方48 m 裂隙帶內。鉆場內布置上下兩排鉆孔，上排布置3 個，開孔位置靠近頂板，仰角38°，斜長平均84 m，水平夾角13°、21°、27°，終孔距回風順槽15 m、25 m、35 m；下排布置3 個，開孔位置為頂板往下0.8 m 處，仰角27°，斜長平均109 m，水平夾角8°、14°、19°，終孔距回風順槽15 m、25 m、35 m。裂隙帶高位鉆孔布置如圖3。

圖3 裂隙帶高位鉆孔布置圖（m）

3.4 上隅角插管抽采

設計15501 軌道順槽布置一趟直徑為457 mm的瓦斯抽采管路，將長度為10 m 的金屬管（插管）固定在袋子墻內，前端設置篩孔管，通過瓦斯抽采軟管與低負壓瓦斯抽采管路連接，插管隨工作面推進而移動。工作面回風流上隅角插管布置如圖4。

圖4 上隅角插管布置圖（m）

4 工作面瓦斯治理效果評價

由現場瓦斯抽采監測數據知，開采層預抽瓦斯量為21.41 m3/min，開采層瓦斯抽采量為29.97 m3/min，上鄰近層抽采量為9.02 m3/min，回采工作面采空區瓦斯抽采量為2.86 m3/min，回采工作面瓦斯抽采率為86.2%。此外，對15501 工作面回采期間上隅角和回風流中瓦斯濃度進行現場實測，結果如圖5。由圖5 可知，工作面上隅角瓦斯濃度為0.42%～0.68%，回風流中瓦斯濃度為0.38%～0.65%，均小于瓦斯濃度報警臨界值0.8%，表明所采用的瓦斯綜合治理措施對15501 工作面瓦斯治理效果顯著。

圖5 瓦斯濃度變化曲線

5 結語

1）分析了工作面回采期間瓦斯來源，預測工作面瓦斯相對涌出量為21.36 m3/t，絕對瓦斯涌出量為48.53 m3/min。

2）提出了“本煤層順層平行鉆孔抽采+走向高抽巷抽采+裂隙帶高位鉆孔抽采+上隅角插管抽采”的瓦斯綜合治理措施。

3）現場應用結果表明：進行瓦斯綜合治理后，工作面上隅角瓦斯濃度為0.42%～0.68%，回風流中瓦斯濃度為0.38%～0.65%，瓦斯治理效果顯著。