多煤层开采工作面瓦斯综合防治技术研究与应用

张 立

（1.山西省晋神能源有限公司，山西 忻州 036599；2.太原理工大学，山西 太原 030024）

0 引 言

煤矿井下开采过程中，瓦斯灾害是矿井重大灾害之一，对矿井的安全生产起着严重制约作用。随着煤矿开采深度和开采强度的增加，井下瓦斯地质条件更加复杂，瓦斯治理难度也越来越大[1-2]。对煤矿井下工作面瓦斯涌出量进行超前预测，煤矿开采前确定井下瓦斯涌出量等级，对于矿井瓦斯治理措施制定、降低矿井瓦斯治理和开采成本、提高开采效率、确保矿井安全高效生产具有重要指导作用。

1 工程概况

沙坪矿位于山西省河曲县南部，行政隶属旧县、沙坪乡管辖，矿井东西走向长约10 km，南北倾斜宽2～5 km，矿区面积22.4 km2，矿井总体呈一宽缓的不完整向斜构造，走向近东西向，倾角7°～15°，局部大于15°。区域构造形式以断裂为主，褶皱次之，发育滑动构造。矿井批准开采的煤层为6号～15号，其中可采煤层为8号和13号煤层，开采深度+750—+930标高。

2 工作面煤层瓦斯涌出量超前预测分析

对煤矿井下开采工作面煤层进行瓦斯涌出量超前预测，能够为矿井通风设计、瓦斯超前预防与治理、矿井安全生产作业提供参考，具有较好的指导作用[3]。本文对工作面开采的煤层瓦斯涌出量超前预测采用的方法是分源预测法。

2.1 预测基本条件

（1）矿井在开采中期计划将8号和13号煤层进行联合开采，采煤工作面和掘进工作面个数比例为2∶4，其中9号煤层开采期间工作面煤炭资源回收率为95%，13号煤层为93%，工作面倾斜长为150 m。回采巷道掘进每月平均进尺为350 m。

（2）沙某矿设计的年生产能力为400万t/a，其中开采的9号煤层平均厚度1.8 m，工作面回采时日产量为1 265 t，所布置的采区日产量为1 315 t；开采的13号煤层平均厚度为4.8 m，13号煤层开采的工作面与8号煤层工作面进行配采时，13号煤层工作面的日产量为3 265 t，所布置的一采区日产量为3 450 t。当13号煤层所布置的二采区单独生产时，回采工作面的日产量为4 652 t，二采区日产量为4 832 t。

（3）矿井设计的每年正常生产工作日为330 d。

2.2 瓦斯含量测定

此次利用钻屑解析法对工作面煤层瓦斯含量进行测定，由于受现场作业环境及取样条件等因素限制，在进行此次瓦斯含量测定时只能选用1个测点作为有效点。为了解决8号和13号煤层瓦斯含量掌控点数量不足的问题，将原矿井地勘时期施工的，满足瓦斯可靠性评价原则的瓦斯含量钻孔数据作为测试点，收集整理后的相关数据情况见表1。

表1 8号及13号煤层测点瓦斯含量及相关数据统计Table 1 Statistical table of gas content and related data at measuring points of No.8 and No.13 coal seams

采用线性回归法对表1数据进行分析可以得出8号和13号煤层瓦斯含量基本规律，如图1所示。

图1 煤层瓦斯含量与工作面埋深关系图Fig.1 Relationship between gas content in coal seam and buried depth of working face

根据图1线性分析可知，工作面煤层瓦斯含量Q与煤层埋深H之间的关系可以用式（1）表示。

8号煤层：

13号煤层：

式中：Q为工作面煤层瓦斯含量；m3/t；H为工作面煤层埋深，m。

由式（1）可以得出，8号煤层工作面瓦斯含量随工作面煤层埋藏深度增加而增加，其中8号煤层埋藏深度每增加10 m，工作面煤层瓦斯含量增加1.5 m3/t；13号煤层埋藏深度每增加10 m，工作面煤层瓦斯含量增加1.21 m3/t。

2.3 工作面煤层瓦斯涌出量分析

根据工作面开采期间瓦斯来源情况，得到了工作面煤层瓦斯涌出量预测分析结果（表2）。

矿井瓦斯涌出量大小计算可以用式（2）表示。

式中：q为矿井瓦斯相对涌出量，m3/t；qi为矿井第i个生产采区瓦斯相对涌出量，m3/t；Ai为矿井第i个采区平均日产量，t/d；K”为已回采工作面采空区内瓦斯涌出量系数。

根据表2中预测分析的结果可知，在沙坪矿对8号和13号煤层联合开采过程中，年产量达到400万t时，矿井最大的绝对瓦斯涌出量值为20.15 m3/min，最大相对瓦斯涌出量值为50.58 m3/t，由此可以判定该矿井为高瓦斯矿井，涌出的瓦斯主要来源于正在开采的煤层和临近煤层，其次为已采掘结束厚的采空区。

3 工作面瓦斯综合治理

随着矿井开采的煤层埋藏深度越来越大，工作面煤层瓦斯含量也随之越来越高[4]，为了降低瓦斯对工作面开采期间的影响，需要提前制定切实有效的措施对工作面瓦斯进行治理，确保工作面安全顺利开采。由于8号煤层和13号煤层都是可以抽采的煤层，且在矿井开采初期，13号煤层已经建立了一套完整的工作面瓦斯防治系统，因此本文主要对开采8号煤层的工作面瓦斯综合治理措施进行研究分析。

3.1 工作面本煤层瓦斯抽采技术

结合13号煤层开采时瓦斯抽采经验，在开采8号煤层时，可以采用在工作面进风顺层和回风顺槽施工顺层交叉钻孔对首采工作面进行本煤层瓦斯预抽。8号煤层开采的工作面设计工作面倾斜长200 m，顺槽走向长1 000 m。根据工作面情况顺层抽采钻孔深度设计为110 m，钻孔孔径为94 mm，钻孔距巷道底板高度0.7～0.8 m，因8号煤层的透气性较差，故钻孔布置采取密集型布置，钻孔间距为2 m，同时可以根据抽采的实际有效半径考察情况对钻孔间距进行调整，钻孔施工的角度按现场煤层倾角进行确定。钻孔施工后对钻孔进行封孔，封孔深度不小于8 m。8号煤层工作面顺层钻孔及采空区抽采管路布置如图2所示。

图2 8号煤层工作面顺层钻孔及采空区抽采管路布置示意Fig.2 No.8 coal seam working face bedding drilling and goaf drainage pipeline layout

3.2 临近煤层分层预抽

8号煤层工作面在开采结束后，由于工作面岩层受到采动及顶板围岩应力的影响，造成采场围岩出现大量裂隙，从而为邻近煤层中的瓦斯向采空区涌入提供了通道，造成采空区中积聚了大量邻近煤层中的瓦斯，造成正在开采的工作面出现瓦斯浓度升高的现象。根据邻近煤层在8号煤层中瓦斯涌出量计算结果，6号和7号煤层中瓦斯涌出量占与8号煤层邻近的所有煤层瓦斯涌出量总和的46.5%，因此在8号煤层开采过程中需对邻近的6号和7号煤层进行抽采卸压。

为了提高邻近煤层瓦斯抽采效果，根据其他类似矿井近距离煤层瓦斯抽采经验，结合该矿实际情况，设计在6号、7号和8号煤层中施工高位抽采钻孔，在工作面回风巷中沿煤层顶板裂隙带走向方向布置钻孔，具体布置如图3所示。

图3 8号煤层及邻近煤层高位钻孔布置示意Fig.3 No.8 coal seam and adjacent coal seam high drilling layout

在工作面回风巷内每间隔40 m设计布置1个钻场，每个钻孔内设计9个钻孔，每3个钻孔为1组，其中第一组钻孔终孔位置在6号煤层顶板中布置，第二组钻孔终孔位置在8号煤层顶板中布置，第三组钻孔终孔位置设计布置在8号煤层底板中，每组钻孔呈扇形布置，倾角9°～11°，钻孔深度为130 m，孔径为113 mm，钻孔封孔深度不小于8 m。

3.3 工作面采空区内瓦斯治理

8号煤层开采过程中影响工作面正常生产的采空区内瓦斯主要来源于邻近7号煤层开采结束后形成的采空区和8号煤层回采结束的工作面形成的采空区。上述两个采空区内的瓦斯会以游离状态通过岩层裂缝进入采掘工作面，从而增加正在采掘工作面的瓦斯含量，影响工作面正常开采。

为治理邻近8号煤层的上覆7号煤层采空区内的瓦斯，在8号煤层回采工作面回风巷内超前切巷30 m位置施工钻场，根据8号煤层倾角来设计确定钻场施工的参数。在钻场内沿8号煤层顶板向7号煤层施工高位抽放钻孔，每间隔40 m布置1组钻孔，钻孔呈密集型布置，钻孔直径为113 mm，每组钻孔呈扇形分布。

针对正在回采中的工作面，采用在隅角打设密闭墙进行埋管抽放的方式来治理采空区内的瓦斯。为了提高密闭墙的密闭效果，可以在墙体四周进行掏槽，在槽内砌砖，砖块内存在的缝隙使用黄泥进行封堵填实。密闭墙厚度为3 m，在距密闭墙顶部0.5 m位置埋设抽放管路，为防止采空区内部瓦斯泄露，在未开始抽放前要将管路口进行封堵。

3.4 利用地面“U”型井抽放瓦斯

虽然通过利用上述综合治理措施能够解决工作面瓦斯超限问题，保证工作面安全生产，但是随着矿井开采深度的不断增加，且现开采的煤层埋藏深度已超过600 m，煤层瓦斯含量和压力应越来越大，矿井深部开采煤层瓦斯治理难度加大，为解决该问题，借鉴其他类似条件矿井瓦斯治理的经验，可以施工“U”型井，提高矿井瓦斯抽采力度，减小矿井深部煤层中瓦斯含量和压力[5]。“U”型井布置如图4所示。

图4 “U”型井抽采结构布置示意Fig.4′U′well drainage structure arrangement

4 结 语

根据沙某矿开采煤层的地质条件及煤层瓦斯赋存变化状况，利用分源预测的方法对工作面煤层中瓦斯来源进行预测分析，得出工作面开采过程中涌出的瓦斯主要来源于正在开采的煤层和临近煤层，其次为已采掘结束后的采空区。针对瓦斯来源情况，制定了本煤层瓦斯抽放、邻近煤层分抽、工作面采空区瓦斯抽放、建立“U”型矿井抽采系统等综合瓦斯治理措施和方案。通过应用结果表明，工作面瓦斯集中涌出量和风排量明显减小，工作面开采过程中未发生瓦斯异常等灾害事故，实现了安全开采，为类似条件的矿井在瓦斯防治措施的制定中提供了一定的参考价值。