萬峰煤礦高瓦斯工作面瓦斯綜合治理技術研究

張紅星

（山西金暉 萬峰煤礦，山西 孝義 032300）

1 工作面概況

山西金暉萬峰煤礦1117 工作面位于一水平一采區南翼軌道上山正西側，正南為1401 工作面（尚未開掘），正北為1115 工作面（回采結束），正東有南翼軌道、皮帶、回風3 條上山。工作面相應地面位置位于高仁村正東部，工作面地表為農田地，地表主要為黃土覆蓋，工作面回采對地表無影響。該工作面回采煤層為山西組1 號煤，煤層總厚1.71 m，黑色，半亮煤，煤層厚度穩定，煤層結構復雜，含3 層較穩定的夾矸，屬焦煤，1 號煤頂板上距1 上煤2 ～6 m，煤層頂底板巖層情況如圖1所示。1117 綜采工作面西至切眼，東至南翼軌道上山保護煤柱，南北至上下順槽，走向長度1 493 m，傾斜長度136 m。井田以副井為界，其南部為一采區，該采區布置有南翼軌道、皮帶、回風3 條上山，南翼軌道、回風上山通過聯絡巷或直接與各回采工作面運輸及回風順槽相聯接，形成采區的輔助運輸、煤炭運輸和通風等生產系統。1117 綜采工作面位于一水平一采區西南部，主要由進風順槽、回風順槽、切眼以及連接南翼軌道上山的聯絡巷組成，其中進風順槽鋪設皮帶運輸機、轉載機、乳化泵等設備，主要用于提供新鮮風流、煤炭運輸、行人等。回風順槽安設無極繩絞車等設備，主要用于回風、運料、行人等。切眼主要用于工作面支架、采煤機、刮板輸送機的安裝。1117進風順槽、回風順槽沿1 號煤層頂板掘進，為半煤巖巷道。

圖1 綜合地質柱狀圖Fig.1 Comprehensive geological histogram

2 瓦斯涌出量預測及抽采的必要性分析

根據中煤科工集團沈陽研究院有限公司所提交的測試報告，1 號煤層瓦斯基礎參數如下：

根據萬峰煤礦1 號煤層賦存條件可以看出，1117 工作面主要瓦斯來源為本煤層和鄰近層，根據《礦井瓦斯涌出量預測方法》 中的計算方法，采用下式進行瓦斯涌出量預測計算[1-2]：

式中：q采為相對瓦斯涌出總量， m3/t；q1為本煤層涌出量，m3/t；q2為鄰近層涌出量，m3/t。

（1） 開采層相對瓦斯涌出量q1。

式中：k1為巷道圍巖瓦斯涌出系數，取1.30；k2為遺煤涌出系數，取1.05；k3為準備巷道預排瓦斯對本煤層瓦斯涌出影響系數，取0.74；M 為煤柱總厚，取1.54 m；m 為采高，取1.7 m；Wo 為開采煤層原始瓦斯含量，為6.90 m3/t；Wc 為殘存瓦斯含量，取2.30 m3/t。計算可得q1=4.21 m3/t。

（2） 鄰近層相對瓦斯涌出量q2。

式中：mi為第i 個鄰近層煤層厚度，m；M 為回采工作面開采高度，m；hi為第i 個鄰近層與回采煤層之間的垂直距離，m；Woi為原始瓦斯含量，m3/t；Wci為殘存瓦斯含量，m3/t；ηi為瓦斯排放率，%；當鄰近層位于冒落帶中時ηi=1；當采高小于4.5 的條件下，ηi按圖2 選取[3～4]。

圖2 近層瓦斯排放率與層間距的關系曲線Fig.2 Relationship curve between near-layer gas emission rate and layer spacing

1 號煤層回采時主要影響鄰近層為1 號上煤和2 號煤，其中1 號上煤瓦斯含量Woi取4.36 m3/t，煤層殘存瓦斯含量Wci取2.39 m3/t；2 號煤Woi取6.37 m3/t，Wci取1.64 m3/t；3 號和5 號煤參照1 號煤選取，瓦斯含量Woi取6.90 m3/t，煤層殘存瓦斯含量Wci取2.30 m3/t。根據表1 計算可得1117 工作面開采期間鄰近層總瓦斯涌出量為3.21 m3/t。

表1 鄰近煤層相對瓦斯涌出量計算結果匯總Table 1 Summary table of calculation results of relative gas emission from adjacent coal seams

按照日產2 300 t 最大產量進行計算，則經過計算可得：

Wmax= W本煤層+ W鄰近層=6.72 m3/min+5.22 m3/min=11.94 m3/min，式中Wmax為工作面最大瓦斯涌出量。

根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》，回采工作面絕對瓦斯涌出量大于5 m3/min 礦井須進行瓦斯抽采。1117 工作面回采期間的瓦斯涌出量預計為11.94 m3/min，為了確保安全生產，設計在1117 工作面進行瓦斯抽采。

3 綜合抽采技術設計

3.1 頂板走向定向長鉆孔抽采

在1117 回風順槽共施工4 個定向鉆場，鉆場寬10 m，深5 m，高3.2 m。設計每個定向鉆場共施工5 個φ133 mm 頂板走向定向長鉆孔，單孔主孔設計孔深為400 m。鉆孔層位處于1 號煤層上部12 ～15 m，內錯1107 回風順槽20 ～40 m，2 組鉆孔之間要求搭接不少于50 m，用于抽采1117 回采工作面采空區裂隙帶瓦斯。定向鉆孔布置如圖3 所示，鉆孔設計參數見表2。預計1117 工作面頂板定向走向長鉆孔可達2.5 m3/min。

表2 1117 回風順槽頂板走向定向長鉆孔施工參數Table 2 Parameter table of 1117 air return gateway roof directional long drilling construction

圖3 1117 回風順槽頂板走向定向長鉆孔施工示意Fig.3 Directional long drilling construction of roof strike in 1117 return air crossheading

3.2 上鄰近層鉆孔抽采

1117 進風順槽掘進方向左幫施工高位鉆場（位于1 號上煤層），高位鉆場間距均為160 m，施工期間執行石門揭煤措施。每個高位鉆場內設計施工20 ～35 個鉆孔，鉆孔直徑94 mm，鉆孔開孔間距0.4 m，鉆孔深度76 ～100 m。以28 個扇形鉆孔為例，鉆孔參數見表3（鉆孔傾角根據施工地點煤層賦存情況進行調整）。預計1117 工作面上鄰近層鉆孔瓦斯抽采量可達0.66 m3/min。

表3 1117 進風順槽高位鉆場1 號上煤鉆孔參數Table 3 Parameter table of No.1 upper coal borehole in high drilling field of 1117 air inlet crossheading

3.3 上隅角埋管抽采

結合相似工作面上隅角瓦斯治理成功案例，在上隅角位置采用“雙埋管法”對采空區瓦斯抽采效果較好，因此在1117 工作面沿用雙埋管抽采技術，①淺部埋管：淺管布置在回風順槽實體煤壁一側，管口與采空區切線距離控制在10 m 之內；②深部埋管：管路布置在回風順槽靠近區段煤柱一側，管口與采空區切線距離控制在20 m 之內；布置詳情如圖4 所示，根據其他回采面抽采經驗，預計雙埋管法抽采量4.0 m3/min。

圖4 1117 回采面上隅角雙埋管法抽采示意Fig.4 Double buried pipe method extraction schematic of 1117 mining face upper corner

3.5 抽采效果分析

預計1117 工作面回采期間瓦斯抽采量為2.5+0.66+4+0.5=7.66 m3/min，工作面回采期間最大瓦斯涌出量為11.94 m3/min，則風排瓦斯量11.94-7.66=4.28 m3/min。瓦斯抽采率為64.2%，符合《煤礦瓦斯抽放基本指標》規定的50%以上抽采率，可保障工作面的生產安全。

4 結 語

為了將萬峰煤礦1117 綜采工作面瓦斯濃度降至安全濃度以下，通過理論計算預測工作面瓦斯涌出量，確定工作面必須進行瓦斯抽采，提出頂板長鉆孔抽采采空區裂隙帶瓦斯、傾斜鉆孔抽采上鄰近層瓦斯、雙埋管抽采采空區上隅角瓦斯、順層鉆孔抽采本煤層瓦斯綜合治理技術，預計瓦斯抽采率可達到64.2%，符合相關規定的要求，實現工作面的安全生產。