黄岩汇煤矿综合瓦斯抽采技术研究与实践

赵 宁，戴广龙，尹 海

(1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001;2.国投昔阳能源有限责任公司黄岩汇煤矿，山西 昔阳 054300)

我国是能源大国，煤炭在我国工业发展中仍占有很大比重。但是，煤炭事故频发，尤其是瓦斯突出事故仍然是制约煤炭工业发展的一大瓶颈。防止瓦斯事故最主要手段是进行瓦斯抽采[1-2]。现有的瓦斯抽采防突措施主要有：顺层钻孔预抽、穿层钻孔抽采、底抽巷抽采、高抽巷抽采、采空区埋管抽采、地面钻井抽采等等一系列措施。目前，我国仍有许多矿井采用单一抽采方法很难适应矿井安全生产的要求，因此必须根据具体的矿井条件来运用多种抽采方式，综合抽采瓦斯，既有效利用瓦斯能源又防治煤与瓦斯突出，减少回风流瓦斯浓度，防止瓦斯超限[3-4]。本文以黄岩汇矿为例，采用本煤层预抽，高位邻近层钻孔抽采、底抽巷抽采、采空区埋管抽采多种手段综合治理瓦斯。

1 工程概况

黄岩汇煤矿15102工作面位于井底车场西北部，东部为井田边界，西部为未采区域，南部为1采区胶带大巷和回风大巷，北部为村庄保护煤柱。根据地质资料和巷道施工实际揭露，该工作面胶带顺槽有CX102-2陷落柱、CX102-3和CX102-5陷落柱；轨道顺槽有CX102-4陷落柱。陷落柱附近小断层较发育，其对工作面回采没有太大的影响。工作面煤层赋存深度为280～310m，平均赋存深度295m，煤层厚度为3.8～7.3m，平均4.5m，赋存稳定。煤层倾角在4～16°之间，平均7°。煤层上部局部含一到二层夹矸，夹矸厚0.2～0.4m。该煤层老顶为细到中粒砂岩，厚度4～8m，内含0.4m厚煤线；伪顶为砂质泥岩，厚度1.5～2.0m；直接顶为砂质岩泥，厚度6m，局部靠上部有一层两米厚泥岩；直接底为粉砂质泥岩，厚度7m，含三到四层煤线。15102工作面设计可采长度1130m，倾向长为180m，平均可采斜面积为198000m2。该工作面选用后退式单一倾斜长壁采煤方法下行开采，沿煤层顶底板采用综合机械化设备，一次采全高，全部垮落法管理顶板。

2012年度黄岩汇煤矿15#煤层绝对瓦斯涌出量：86.85m3/min，相对瓦斯涌出量：39.26m3/t，15#煤层透气性系数平均为0.0708m2/(MPa2·d)，煤层实测斯压力为0.1～0.4 MPa；煤层瓦斯含量为5.0～12.9m3/t，鉴定等级为突出矿井。根据区域预测第一阶段报告，15102区域煤层瓦斯原始含量在6～10m3/t，煤层绝对瓦斯涌出量为60m3/min，相对瓦斯涌出量10.2m3/t。因此根据相关规定，15102工作面必须建立相关抽采系统进行瓦斯抽采[5]。

2 抽采瓦斯

为解决工作面瓦斯涌出量较大，部分区域有突出危险性的问题，应根据不同区煤层赋存的地质条件及瓦斯来源情况，有针对性的选择不同的抽采方法，高效经济的抽采瓦斯[6]。15102工作面用顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯的抽采方法降低煤层瓦斯含量，用高抽巷、顶板走向钻孔抽采邻近层与采空区瓦斯，用上隅角埋管抽方法抽采采空区瓦斯，控制上隅角瓦斯浓度。

2.1 本煤层瓦斯抽采

根据黄岩汇煤矿瓦斯含量分布预测图显示，15102运输巷掘进区域瓦斯含量在6～9m3/t，预测突出危险区在距回风下山726～1657m，因此采用顺层钻孔预抽该煤层瓦斯，防止煤与瓦斯突出。

从15102工作面停采线外20m开始在轨顺与胶顺同时布置垂直于工作面走向的顺层瓦斯抽放钻孔，间距为2m，孔深为90m，孔径113mm，钻孔倾角为煤层的倾角。用煤矿液压深孔CMS1—6200/80型钻机，配合Φ69mm的钻杆和Φ113mm的PDC钻头进行钻孔施工。抽采钻孔采用注浆封孔技术进行封孔，封孔时按1∶5以内发泡倍数对聚胺脂合理配比，封孔长度12m。

顺层瓦斯抽采管路采用Φ355mm聚乙烯瓦斯管路，分别布置在15102胶顺与15102轨顺中，距顶200mm，距帮200mm。Φ355mm聚乙烯瓦斯抽放管路与短接三通间隔相接最终与风巷Φ630mm瓦斯抽采管路相连。选用2BEC72型地面固定高负压瓦斯抽放泵，抽采负压为30～40kPa。同时在巷道低洼处瓦斯抽采管路要安装手动放水器确保抽采管路通畅。具体抽采钻孔布置如图1所示。

图1 15102工作面顺层钻孔抽采布置

经过近10个月的瓦斯抽采，累计抽采量32.09万m3，本煤层瓦斯含量降至2.05～7.01m3/t，全区域平均4.27m3/t；基本消除15102工作面具有突出危险性的问题，确保工作面安全回采。在工作面回采后继续用顺层孔实施边抽边采，在回采初期顺层钻孔浓度平均15%，抽采纯量平均13m3/min，说明回采后顺层孔仍有良好的抽采效果。

2.2 高抽巷抽采瓦斯

2.2.1 高抽巷布置

据本矿现场生产实践证明，采煤工作面邻近层瓦斯涌出量占工作面总量的80%以上。因此，治理邻近层瓦斯是解决工作面瓦斯超限，保证矿井安全生产的关键。目前，采用高抽巷抽采瓦斯技术是积极治理瓦斯灾害的重要措施之一[7]。

高抽巷的位置是否合理直接关系到瓦斯抽采的效果。随15102工作面的推进，在采动垂直方向上分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，在水平方向上形成煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，横三区、竖三带随着工作面推进一直存在的[8-9]。因此，若高抽巷距煤层太近有可能随岩层冒落易遭破坏，若高抽巷离煤层较远，采动裂隙无法贯通都会影响高抽巷抽采效果，故只有把高抽巷裂隙带上部为最佳。根据冒落带高度经验公式[10]：Hc=100m/(0.49m+19.12)±4.71(Hc为冒落带高度；m为煤层开采厚度)计算可知15102工作面冒落带16.39～25.81m，根据裂隙带高度经验公式[10]：Hf=100m/(0.26m+6.88)±11.49(Hf为裂隙带高度；m为煤层开采厚度)计算可知裂隙带高度44.41～67.39m。结合相关地区经验，考虑邻近层煤层位置，确定15102高抽巷布置在工作面上部9#煤层中，距工作面煤层顶板垂直距离约65～68m，与工作面回风巷道水平距离为50m。巷道为4m×3m矩形断面，采用锚网支护。高抽巷施工完毕后，预埋Φ630mm抽采管路并将高抽巷进行永久封闭，迎头向切眼施工直径为800mm的钻孔并与切眼贯通，外端口安装同型号抽采管路与回风下山Φ630mm管路进行对接形成高抽巷瓦斯抽采系统，由地面固定瓦斯抽采泵抽采。

2.2.2 高抽巷效果分析

从工作面回采开始，对高抽巷瓦斯浓度，抽采瓦斯量进行记录分析，具体抽采情况如图2所示。

-▲-抽采瓦斯量；-●-抽采瓦斯浓度

根据15102高抽巷瓦斯抽采情况图可知，在工作面开始回采后高抽巷瓦斯抽采浓度与抽采纯量都比较低。当工作面推过28m后瓦斯抽采量与瓦斯抽采浓度开始增加，说明28m左右顶板垮落，邻近层瓦斯瓦斯涌出，随后瓦斯抽采浓度一直保持在20%以上，且随着顶板周期垮落有所升高。经过三个月的现场实测，高抽巷抽采浓度平均在40%，抽采纯量25m3/min，抽采总量2985.94万m3。

2.3 顶板走向钻孔抽采

由于15102工作面不再布置尾巷，为解决尾巷去除后综采工作面回采时上隅角瓦斯问题，在15102轨顺开钻场布置顶板走向瓦斯抽采钻孔，对工作面上隅角区域冒落带进行瓦斯抽采，防止工作面上隅角瓦斯超限。

在距15102轨顺停采线以外30m左帮开始布置钻场，钻场规格为宽度4m，深度5m，高度3.8m，沿巷道底板掘进。往里每间隔40m布置一个钻场直到切眼，每个钻场内布置两排钻孔，每排4个，共计8个，第一排钻孔开孔位置距巷道底板1.5m位置，钻孔间距为1000mm，终孔位置在15#煤层顶板12m处，仰角为12°；第二排钻孔开孔位置距巷道底板1.8m位置，钻孔间距为1000mm，孔终位置在15#煤层顶板18m处，仰角为16°。钻孔终孔间距为5m，控制范围为工作面上隅角至工作面15m，钻孔长度为70m，钻孔水平重叠30m。计划在15102轨顺共布置钻场29个，钻孔232个。瓦斯抽采钻孔施工选用煤矿用液压深孔CMS1—2000/58型钻机，配合Φ98mm的钻杆和Φ113mm的PDC钻头。为防止泥岩堵孔，钻孔内下Φ75mmPVC套管30m，钻孔封孔采用Φ75mmPVC管聚胺酯封孔8m，使钻孔牢固不漏气。具体钻孔布置如图3所示。

图3 顶板走向钻孔抽采钻孔示意

经过现场测定，15102轨顺顶板走向钻孔前三个月平均瓦斯浓度16%，平均抽采纯瓦斯量为4m3/min ，抽采瓦斯量为104万m3。

2.4 采空区埋管抽采瓦斯

为防止上隅角瓦斯超限，在15102工作面上隅角挡风墙内埋管抽采瓦斯。上隅角每隔10m设置一道挡风墙，在挡风墙内逐步截断Φ280mm PVC瓦斯抽采管，进行瓦斯抽放，保证回采期间上隅角瓦斯浓度低于规定范围以下。选用2BEC72型地面固定高负压瓦斯抽放泵，为其提供不少于18kPa的抽采负压。经实测，采空区埋管抽采瓦斯浓度平均为5%，抽采纯流量平均1.5m3/min。

通过采用邻近层瓦斯抽采钻孔与采空区埋管抽采采空区瓦斯，使回采后上隅角瓦斯浓度在0.64%以下，较好的防止瓦斯超限问题，确保安全生产。

3 结论

1)单煤层开采，邻近层瓦斯较大的高瓦斯矿井必须采用综合瓦斯抽采方法，确保工作面安全回采。

2)经过采用本煤层瓦斯抽采，高抽巷抽采瓦斯，顶板走向钻孔与采空区埋管抽采并用的综合瓦斯治理措施，使本煤层瓦斯含量降低到2.05～7.01m3/t，使上隅角瓦斯浓度控制在0.64%以下，较好的解决了工作瓦斯突出，与瓦斯超限的问题。

3)抽采的瓦斯由矿属瓦斯发电厂利用发电，增加企业收入，一举多得，值得在相似矿区进行推广。

[1] 国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京:煤炭工业出版社,2009.

[2] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社，1992:154-156.

[3] 林柏泉,张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].北京:中国矿业大学出版社，2007:26-27.

[4] 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用手册[M].北京:煤炭工业出版社,2005.

[5] 国家安全生产监督管理局,国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社,2011.

[6] 袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

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[8] 钱鸣高,石平五.矿山压与岩层控制 [M].北京:煤炭工业出版社,2003.

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