高瓦斯礦井綜采工作面初采瓦斯綜合治理措施及效果研究

楊興專，王 新

（畢節中城能源有限責任公司，貴州 畢節 552100）

0 引 言

煤炭行業作為我國能源的主要來源之一，煤炭開采也從原來的低瓦斯、埋藏深度淺、開采難度較低的礦井轉變為了現在的高瓦斯、埋藏深、開采難度大的礦井。隨著礦井開采難度的加大，瓦斯問題也變得更為嚴峻，初采工程在高瓦斯突出礦井綜采工作面回采過程中起著至關重要的作用，但煤與瓦斯突出問題在開采環節中尤為突出。有許多學者也對此進行了大量研究，其中張永福[1]對保德煤礦綜采工作面提出了根據瓦斯涌出量不同，綜采（放）工作面的瓦斯治理采取不同的通風系統布置方式、抽放方式和不同的配風量。沈五名等[2]對平頂山天安煤業四礦綜采工作面提出了采用煤壁淺孔注水，高位水平鉆孔，煤壁淺孔抽放等瓦斯綜合治理措施。本文就貴州肥田煤礦210701綜采工作面初采時期瓦斯治理進行技術總結，探究綜采工作面初采期間的綜合瓦斯治理技術及其效果。

1 工作面概況及瓦斯涌出預測

肥田煤礦210701 綜采工作面位于礦井21 采區北翼，是肥田煤礦7 號煤層首采工作面，南至預定停采線，北至210701 切眼。底部有210701 瓦斯抽采進風巷、回風巷，上下方無采空區。工作面煤層平均厚度為1.50 m，其傾斜面長1 190 m，平均走向面長190 m，煤的容重為1.53 t/m3。210701 采煤工作面的回采方法采用傾向長壁后退式采煤方法，全部垮落法管理頂板。采煤工藝為綜合機械化采煤，采用掩護式液壓支架支護。7 號煤層平均厚度為2.00 m，該煤層上距6 號煤層約24 m，6-1 號煤層約16 m，煤層傾角平均10°，頂板為泥質粉砂巖，底板為粉砂巖。根據210701 運、回巷實際揭露情況分析，210701 工作面回采期間將遇小構造，對回采區域影響不大。

根據報告和計算210701 工作面從切眼位置到停采線每100 m 計算7 號煤層瓦斯含量平均值為12.4 m3/t。通過對采面本煤層和回采工作面的瓦斯涌出量進行計算得出210701 采面回采期間的瓦斯涌出量最大預計為49.73 m3/min。

2 工作面初采瓦斯治理措施

根據210701 綜采工作面初采期間預測最大瓦斯涌出量采取了4 種瓦斯治理措施，分別是本煤層高負壓抽采、卸壓及高位攔截鉆孔抽采[3,4]、采空區低負壓抽采[5]和工作面風排瓦斯。

2.1 高負壓本煤層抽采措施

煤工作面的本煤層瓦斯抽放, 采取的抽放方法主要有順層鉆孔預抽和邊采邊抽相結合的方法,即在采煤工作面的機巷和風巷, 沿煤層向回采區段打抽放孔,孔徑一般為75 mm,采用聚氨酯快速封孔方法,預抽期一般為6 個月左右。為爭得較長的預抽時間,一般在準備采面掘進時就進行鉆孔布置,并及時封孔聯網抽放[6]。

本煤層瓦斯抽放的鉆孔布置方式主要采用順層平行鉆孔布置和鉆場扇形孔布置, 并試驗應用了順層交叉孔等布孔方式。210701 回風巷于2021 年10月23 日開始施工，2021 年12 月8 日施工完成，設計施工抽采鉆孔62 個，實際施工抽采鉆孔91 個；210701 運輸巷鉆孔于2021 年10 月13 日開始施工，2021 年12 月7 日施工完成，設計施工抽采鉆孔63 個，實際施工抽采鉆孔103 個。210701 切眼退回50m 鉆孔間距為2 m，切眼退回50～100 m 鉆孔間距為3 m,100 m 往后鉆孔孔間距為5 m。

2.2 卸壓和高位攔截鉆孔抽采措施

為了降低瓦斯210701 綜采工作面瓦斯涌出量涌出量，在結合了“三帶”[7,8]范圍的基礎上，采取了卸壓和高位攔截鉆孔瓦斯抽采措施。

1）高位鉆場措施：回風巷在距切眼80、160 m處各施工1 個高位鉆場，高位鉆場長20 m, 坡度為30°，每組高位鉆鉆場內設計16 個鉆孔，穿透6 號煤層1 m 后退鉆。回風巷1、2 號高位鉆場內鉆孔于1 月8 日開始施工，2 月17 日完成，設計32 個鉆孔，實際施工38 個鉆孔，控制切眼以下100 m 范圍。

2）高位攔截鉆孔措施：運輸巷沿工作面傾向方向每15 m 施工一組高位攔截鉆孔，每組施工7 個鉆孔，穿透6 號煤層1 m 后退鉆。運輸巷C59-C67 組鉆孔于11 月30 日開始施工，1 月30 日完成，設計鉆孔63 個，實際施工77 個。

3）卸壓鉆孔措施：運輸巷在切眼下45～57 m 處設計施工2 組卸壓鉆孔，運輸巷卸壓鉆孔2 月28 日開始施工，3 月11 日完成施工，設計16 個鉆孔，共施工16 個鉆孔；回風巷在切眼下56～81 m 處設計施工3 組卸壓鉆孔，回風巷卸壓鉆孔2 月27 日開始施工，3 月12 日完成施工，設計24 個鉆孔，實際共施工26 個鉆孔。

2.3 采空區低負壓抽采措施

抽采負壓是影響瓦斯抽采效果的重要因素之一[9-11]，它與煤層瓦斯壓力可以在煤體內營造壓力梯度，從而為瓦斯流動提供動力。根據210701 綜采工作面概況沿回風巷內預埋一趟DN500 焊管至工作面距切眼絞車窩內的采空區，抽放采空區瓦斯，抽放口采用10 mm×10 mm 的鋼筋網包扎好和用木垛架設成井字口保護好管路口，抽放口用堵板穿孔扣好防止矸石進入，見圖1。回巷敷設的焊管每40 m 增設1 個三通，隨工作面推進逐步打開管道內的隔斷裝置進行抽放。

圖1 上隅角埋管瓦斯抽放示意圖

工作面初采期間運行2 臺2BEC67 型水環式真空泵（功率560 kW）,均運行40 Hz，初采期間低負壓抽采混合流量穩定在270～310m3/min，如圖1 所示。

2.4 風排瓦斯措施

210701 綜采工作面初采期間工作面進風為1 500 m3/min，回風為1 200 m3/min，低負壓抽采量為300 m3/min 左右。工作面未生產時平均回風濃度為0.2%，風排瓦斯量為2.4 m3/min，工作面生產時平均回風濃度為0.42%，風排瓦斯量為5.04 m3/min。

3 瓦斯治理措施實施效果分析

3.1 高負壓本煤層抽采效果

210701 綜采工作面第一評價單元共施工本層抽采鉆孔194 個鉆孔（運輸巷91 個、回風巷103 個），2021 年10 月23 日開始施工，12 月8 日施工完成，2022 年2 月13 日進行抽采效果評判。經評判，回風巷施工抽采鉆孔抽放量為277 868 m3, 殘余瓦斯含量5.5 m3/t,通過反算得出殘余瓦斯壓力0.26 MPa；運輸巷施工抽采鉆孔抽放量296 150 m3, 殘余瓦斯含量5.2 m3/t,通過反算得出殘余瓦斯壓力0.24 MPa，判定210701 采煤工作面第一評價單元（運輸巷里程：k0+1190～990 m）段抽采達標。

3.2 卸壓及高位攔截鉆孔效果

210701 運輸巷共計施工卸壓及高位攔截鉆孔93 個，從2022 年3 月19 日正式回采到4 月16 日共計抽采瓦斯純量25.02 萬m3，平均日抽采純量8 161 m3，平均濃度22.5%。

回風巷卸壓及攔截鉆孔共計施工64 個，從2022 年3 月19 日正式回采到4 月16 日1 號高位鉆場抽采瓦斯純量5.96 萬m3，平均日抽采純量913 m3，平均濃度11.7%；2 號高鉆場抽采瓦斯純量17.65 m3，平均日抽采純量1 827 m3，平均濃度18.2%。

210701 運輸巷高位鉆孔，4 月5 日（回采43 m）至4 月10 日（回采59 m）期間抽采純量和抽采濃度都急劇增大，最大抽采純量為16.85 m3/min,濃度為45%，然后開始緩慢下降。工作面運輸巷側在回采43 m 時采空區開始來壓，回采至59 m 時達到最大，隨后初次來壓結束和抽采鉆孔減少，抽采量和抽采濃度逐步下降。

回風巷1 號高位鉆場，4 月3 日（回采35 m）至4 月8 日（回采51 m）期間抽采純量和抽采濃度都急劇增大，最大抽采純量為5.40 m3/min, 濃度為22%。然后從在4 月8 日（回采51 m）至4 月10 日（回采59 m）期間抽采純量和抽采濃度都急劇下降，抽采純量為1.09 m3/min, 濃度為6%，隨后開始緩慢下降。工作面回風側在回采35 m 處采空區開始來壓，回采至51 m 處達到最大，隨后因鉆孔通過裂隙與采空區導通導致抽采量和濃度急速下降。

回風巷2 號高位鉆場，4 月8 日（回采51 m）至4 月12 日（回采67 m）期間抽采純量和抽采濃度都急劇增大，最大抽采純量為19.14 m3/min, 濃度為48%，然后開始緩慢下降。工作面回風側2 號鉆場在回采51 m 后（1 號鉆場與采空區導通）抽采濃度和負壓急速上升，如圖2 所示。

圖2 工作面絕對瓦斯涌出總量與回采日期（距離）關系圖

3.3 低負壓抽采效果

從2022 年3 月19 日正式回采到4 月16 日低負壓抽采系統抽采瓦斯純量17.17 萬m3，平均日抽采純量5 712 m3，平均濃度1.54%。在4 月3 日（回采35 m）至4 月5 日（回采51 m）期間抽采純量和抽采濃度都緩慢增大，最大抽采純量為7.26 m3/min,濃度為2.54%，然后開始緩慢下降,4 月10 日（回采59 m）至4 月16 日（回采80 m）抽采純量和抽采濃度都持續增大，最大抽采純量為15 m3/min,濃度為5.21%。

4 月3 日（回采35 m）因工作面回風巷側開始來壓，采空區低負壓抽采濃度和純量開始逐步上升，隨后因高負壓和風排瓦斯量增大，采空區低負壓抽采濃度和純量開始緩慢下降，4 月10 日（回采59 m）因工作面初采來壓完成，采空區低負壓抽采濃度和純量明顯上升，如圖3、圖4 所示。

圖3 工作面絕對瓦斯涌出量與回采日期（距離）關系圖

圖4 工作面各點抽采濃度與回采日期（距離）關系圖

3.4 風排瓦斯效果

從2022 年3 月19 日正式回采到4 月16 日風排瓦斯純量14.40 萬m3，平均日風排純量4 968 m3，平均濃度0.29%。3 月31 日（回采27 m）至4 月10日（回采59 m）期間風排瓦斯濃度和純量都持續增大，最大風排瓦斯純量為5.33 m3/min，7 678 m3/d，濃度為0.43%，隨后風排瓦斯濃度和瓦斯量逐步下降。

3 月27 日（回采27 m）隨著工作面回采速度加快和采空區來壓，風排瓦斯濃度和純量逐步增大，4 月10 日（回采59 m）因工作面初采來壓完成，采空區低負壓抽采濃度和純量明顯上升，風排瓦斯量初步下降，如圖5、圖6 所示。

圖5 風排瓦斯純量與回采日期（距離）關系圖

圖6 風排瓦斯濃度與回采日期（距離）關系圖

通過以上分析可以得出以下結論：

1）210701 工作面采高平均2.0 m，上距6 號煤層約24 m，6-1 號煤層約16 m，煤層傾角平均10°，根據瓦斯抽采純量和濃度推測，210701 綜采工作面初采頂板來壓步距為45～59m，采面推采67m 時工作面瓦斯涌出量達到峰值。

2）210701 綜采工作面正式回采期間未發生瓦斯超限事故和高濃度瓦斯預警，瓦斯抽采量和風排瓦斯量最大共計為41.55m3/min, 與預測最大瓦斯涌出量49.73m3/min 相近，證明現行的瓦斯治理措施有效、可靠。

4 結 論

貴州肥田煤礦210701 綜采工作面初采區域為高瓦斯礦井作業，根據肥田煤礦210701 綜采工作面瓦斯涌出預測為基礎，從而對肥田煤礦210701 綜采工作面初采瓦斯綜合治理措施進行擬定與實施，并根據措施效果得出以下結論：

1）對于高瓦斯礦井而言，高負壓本煤層抽采和卸壓及高位攔截鉆孔瓦斯防治措施效果大于低負壓抽采和風排瓦斯治理措施的效果；

2）在礦井瓦斯的綜合治理措施體系中，將多種治理措施合理有效的聯合利用能更大程度的完成瓦斯治理的目標。

3）通過對肥田煤礦210701 綜采工作面初采時采取的高負壓本煤層抽采、卸壓及高位攔截鉆孔、低負壓抽采和風排瓦斯4 種瓦斯治理措施的實施找到了一套適合高瓦斯礦井綜采工作面初采的瓦斯綜合治理措施從而為貴州肥田煤礦高產高效高瓦斯礦井治理瓦斯提供了一個合理的瓦斯綜合治理方法。