突出煤層開采瓦斯綜合治理技術研究

趙育祥

（西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030200）

0 引言

隨著礦井采掘深度增加，煤層瓦斯含量、瓦斯壓力以及地應力等均有所增大，煤炭開采受沖擊低壓、瓦斯影響更趨明顯[1-3]。當開采煤層賦存地質條件復雜時，受地質構造影響不同位置瓦斯含量會有一定差異，導致采面不同回采位置瓦斯涌出呈現非均衡性特征，進一步增加瓦斯治理難度。突出煤層群開采礦井，保護層開采是作為經濟、有效的防突技術手段，但是由于不同礦井開采煤層賦存條件、瓦斯治理技術手段等存在差異，因此應針對礦井回采煤層現場實際條件針對性采取瓦斯治理技術[4-8]。文中就以山西某礦912綜采工作面瓦斯治理為工程背景，提出針對性瓦斯綜合治理技術措施，實現瓦斯高效治理并為煤炭安全開采創造良好條件。

1 工程概況

山西某礦設計產能150 萬t/a，為煤與瓦斯突出礦井，批準開采的3#、6#、7#、8#及9#等煤層均有突出危險性。礦井南翼一采區可采煤層有6#、7#、8#及9#煤層，層間距分別為45、28、13 m，淺部的6#及7#煤層已回采完畢，8#煤層與9#煤層為典型的近距離突出煤層，具體煤層賦存及瓦斯參數，如表1 所示。8#煤層由于受到區域構造及火成巖入侵影響，不可采。9#煤層現規格開采912 綜采工作面，由于7#煤層開采時未體現預抽9#煤層瓦斯，導致912 綜采工作面瓦斯災害問題較為突出。

表1 煤層及瓦斯賦存參數

912 綜采工作面設計推進長度1 165 m、采面斜長198 m，上覆為7#煤層7112、7114 采空區，采面采用U 型通風方式，設計風量2 000 m3/min。912 綜采工作面瓦斯治理面臨開采區域內瓦斯地質條件復雜、煤層透氣性差以及鄰近的8# 煤層瓦斯涌出量大等問題。因此，針對912 綜采工作面現場條件針對性提出瓦斯治理技術。

2 采面瓦斯綜合治理

2.1 鄰近層瓦斯抽采

912 綜采工作面頂板與上覆8#煤層層間距在13 m左右，且8#煤層未提前預抽。在912 綜采工作面回采期間，通過在9#煤層風巷高位鉆孔攔截8#煤層卸壓瓦斯。在風巷內按照60～80 m 間距布置鉆場，單個鉆場內布置14～16 個高位鉆孔，鉆孔孔徑均為108 mm，采用長孔、短孔壓茬布置，壓茬寬度在30 m 以上；高位鉆孔終孔位于8#煤層頂板上覆2～4 m 位置，鉆孔終孔間距8～10 m，控制回風巷下50 m 范圍。高位鉆孔封孔深度在12 m 以上，抽采負壓在13 kPa。具體高位鉆孔布置設計，如圖1 所示。

圖1 高位鉆孔布置示意圖

根據鉆孔瓦斯抽采統計結果，布置的高位鉆孔單孔瓦斯抽采濃度在30%～78%，單孔瓦斯抽采純量在0.79～1.8 m3/min，單個鉆場瓦斯抽采純量在12～15 m3/min。通過布置高位鉆孔可有效攔截上覆8#煤層卸壓瓦斯向采面涌出量。

2.2 本煤層瓦斯抽采

在912 綜采工作面回采前采用本煤層順層鉆孔+穿層鉆孔方式對區域瓦斯進行預抽，實測采面回采區域內殘余瓦斯含量最大為6.252 m3/t。為進一步降低采面瓦斯涌出量，在采面機巷、風巷內分別按照80 m間距布置鉆場，在鉆場內從布置鉆孔預抽煤層瓦斯。布置的鉆孔呈扇形，鉆孔孔徑91 mm、終孔間距6～8 m，鉆孔采用型號ZDY-3200S 鉆機鉆進。

2.3 采空區瓦斯抽采

在912 綜采工作面回采期間，綜合使用大直徑反井鉆孔+穿層鉆場方式抽采采空區瓦斯。通過大流量抽采方式改變采空區靠近回風隅角位置瓦斯流場，解決回采隅角處采空區瓦斯涌出量大問題。

在912 綜采工作面18～43m 范圍內掘進有1#、2#瓦斯抽采巷，從912 風巷向瓦斯抽采巷施工大直徑反井鉆，鉆孔孔徑為1 200 mm，并與底抽巷內低負壓瓦斯抽采管理連接。通過反井鉆孔抽采912 采空區內瓦斯，具體采面反井鉆孔布置，如圖2 所示。

從底抽巷內向912 采空區施工穿層鉆孔，穿層鉆孔間隔5 m 布置一組，一組鉆孔包括3 個穿層鉆孔，組間鉆孔開孔距離10 m、鉆孔孔徑153 mm，具體穿層鉆孔布置，如圖3 所示，1#穿層鉆孔位于風巷位置、2#及3#穿層孔分別位于風巷下側10 m、20 m 位置。穿層鉆孔緊跟采面回采施工。

圖3 采空區底抽鉆孔布置示意圖

采面布置的大直徑反井鉆孔、穿層鉆孔抽采混量在60～100 m3/min、瓦斯抽采濃度（全文中“瓦斯濃度”為“瓦斯體積分數”）在1.2%～5.6%。在采面割煤時，采用采空區瓦斯治理措施前回風隅角位置瓦斯濃度保持在0.62%以上，存在有一定瓦斯超限風險，采應用采空區瓦斯治理措施后回風隅角位置瓦斯濃度降至0.4%以下，回風隅角未有瓦斯超限情況出現。

2.4 采面超前探放鉆孔及煤層注水

在912 綜采工作面回采期間，在采面內實施超前探放鉆孔防突技術措施，鉆孔均垂直煤壁布置，孔徑、深度分別為75 mm、10 m，鉆孔間距為1.75 m，具體探放鉆孔布置，如圖4-1 所示。通過施工超前探放鉆孔不僅可適當煤壁瓦斯、增加采面前方卸壓帶寬度，而且可實現采面前方地質構造探測。

圖4 采面探測鉆孔及注水鉆孔布置示意圖

在采面使用高壓注水方式增加煤體含水率，注水鉆孔按照5 m 間距布置，孔深控制在8～10 m、孔徑為42 mm。通過煤層注水降低采煤機割煤粉塵產生量，充分釋放煤體游離裂隙瓦斯、改變煤體物理力學性質、消除煤層突出危險性。鉆孔注水壓力控制在5～8 MPa。具體注水鉆孔布置，如圖4-2 所示。

3 瓦斯綜合治理效果

在912 綜采工作面采用綜合瓦斯治理措施后，采面回風流、回風隅角位置瓦斯濃度控制在0.3%、0.4%以下；采面瓦斯抽采量有8.0 m3/min 提升至18 m3/min，瓦斯抽采率在60%以上，有效解決了8#煤層未預抽導致卸壓瓦斯涌出量大、9#煤層回采時瓦斯涌出量大及突出危險嚴重等問題。912 綜采工作面煤炭產量由1.0 kt/d 提升至3.0 kt/d，不僅實現了瓦斯高效治理而且提升了采面煤炭產量。

4 結語

912 綜采工作面回采的9# 煤層具有突出危險性，同時煤層松軟、透氣性較差，通過本煤層鉆孔、底抽巷穿層鉆孔進行消突時可能存在瓦斯抽采空白帶，給后續煤炭安全生產帶來威脅。同時9# 煤層上覆13 m 存在有未預抽且瓦斯含量較高的8#煤層，9#煤層回采后8#煤層卸壓瓦斯會沿著采動裂隙向采空區涌出，導致9#煤層回采工作面瓦斯涌出量偏大、采面回風流及回風隅角瓦斯超限等問題。

提出采用高位鉆孔攔截上覆8#煤層卸壓瓦斯、在回采巷增設扇形鉆孔增加本煤層瓦斯抽采效果、采空區瓦斯抽放以及采面煤壁布置探測鉆孔、注水鉆孔等方式進行瓦斯綜合治理，對瓦斯治理措施進行設計。采用的瓦斯治理措施可實現9#煤層本煤層瓦斯以及鄰近層瓦斯有效治理，912 綜采工作面回采期間采面瓦斯濃度始終在安全范圍內，可為912 綜采工作面安全高效回采創造良好條件。