邻近层瓦斯抽放技术在寺河矿二号井的应用

张志强

（晋城煤业集团 寺河矿，山西 晋城 048019）

随着煤矿开采量及开采深度的加大，一些低瓦斯矿井逐渐变为高瓦斯矿井和突出矿井[1-2]，矿井瓦斯的防治工作成为关键因素和难点[3]。晋煤集团寺河矿二号井随着产量的增加和生产区域的延伸，矿井瓦斯涌出量大幅度增长；在9 号煤回采中，遇到工作面上隅角瓦斯超限问题，严重威胁矿井的安全生产。结合现场地质生产条件分析，3 号煤层开采后采空区瓦斯经采动裂隙不断运移至9 号煤上邻近层，9 号煤回采中，由于受采动影响，上邻近层瓦斯经层间裂隙涌入采空区，造成工作面上隅角瓦斯超限。因此，对9 号煤层邻近层瓦斯的治理工作成为9 号煤层开采中的关键问题。

1 矿井概况

寺河矿二号井位于寺河井田东区的东部，改扩建后，设计生产开采9 号和15 号煤层。寺河矿二号井原设计为低瓦斯矿井，但随着生产能力的增加，矿井瓦斯涌出量大幅增长，2007 年矿井绝对瓦斯涌出量达67.15 m3/min，相对瓦斯涌出量为15.91m3/min，成为高瓦斯矿井。

9 号煤位于太原组三段下部，上距3 号煤50.01 m，下距15 号煤层29.03 m，厚度0.48～2.58 m，均厚1.52 m，含夹矸0～4 层，夹矸厚度一般小于0.2 m，结构为简单复杂型，煤层变异系数33%，可采系数96%，属较稳定可采煤层。顶板多为粉砂岩；局部为砂岩，底板北部多为粉砂岩，南部多为石灰岩。根据重庆煤科院的测定结果，9号煤层的原始瓦斯含量11.11～12.22 m3/t，瓦斯压力0.34～0.42 MPa，煤层透气性系数0.001 6～0.091 488 m2/（MPa2·d），瓦斯总储量178.87 Mm3。

2 邻近层瓦斯涌出的特征规律

2.1 邻近层瓦斯涌出的现象

开采煤层后，上部煤岩体的冒落、弯曲下沉、移动，导致应力状态重新分布，引起煤岩层的离层、煤岩体中孔隙率和裂隙增加、形成层间空隙，这种层间空隙不仅是卸压瓦斯的储存地点，也是良好的流通通道。下部地层的承压状态，由原先承受整个上覆地层变为仅承受开采层以下的部分地层，岩层的自重应力大为降低，形成下部煤岩卸压区[4]，引起煤岩层的膨胀变形和透气性的大幅度提高，在其影响范围内邻近层的煤岩中的瓦斯，将会通过裂隙向采掘空间流动，使其瓦斯涌出量成倍增加[5]。

2.2 邻近层瓦斯涌出特征规律

邻近层瓦斯涌出量主要取决于邻近层的瓦斯含量，邻近层的瓦斯排放率，邻近层距开采层的厚度、回采工作面的推进速度等[4]。邻近层的原始瓦斯含量越大、瓦斯排放率越低，瓦斯涌出量越大；而在一定地质开采条件下，邻近层瓦斯排放程度随层间距的加大而减小，到某临界距离时，瓦斯排放作用消失[6]，这表明邻近层距开采层的厚度越大，瓦斯涌出量越小；工作面推进速度越快，瓦斯涌出量越小，主要是因为工作面推进速度的加快使得围岩变形与破坏的速度变缓，围岩产生的裂隙大小和数量也变小。

3 邻近层瓦斯的抽放技术

3.1 邻近层瓦斯的抽放方法

邻近层瓦斯抽放技术（尤其是上邻近层瓦斯抽放技术）是国内外广泛应用的最成熟的技术[7]。主要原理是利用采动引起的煤岩体裂隙，使煤岩层透气性系数增加、瓦斯流动性增强，在邻近煤层中打钻孔、布置抽放管路抽放，降低邻近煤层中的瓦斯含量。邻近层瓦斯抽放技术可有效解决本工作面开采中本工作面及工作面上隅角瓦斯超限问题；其抽放方法可分为地面钻孔抽放法、井下钻孔抽放法、顶板巷道结合钻孔抽放法。

3.2 瓦斯抽放的管路设计

根据瓦斯抽放管服务的范围和所担负输送抽放量的大小，其管径按下式计算：

式中：D 为瓦斯管内径，m；V 为管道中混合瓦斯的经济流速，m/s；QH为管内混合瓦斯流量，m3/min。根据现场情况，式中参数取值如表1 所示。将表中参数代入式（1）得出抽放主管路内径378 mm，抽放支管路内径246 mm。瓦斯抽放管路设计留有一定富裕系数，最终确定主管采用直径450 mm 厚26.7 mm 的聚乙烯管，支管采用直径280 mm 厚16.6 mm 的聚乙烯管，各管之间均用法兰连接。

表1 参数取值表

3.3 瓦斯抽放的钻孔布置

根据采掘布置及上隅角瓦斯治理经验，采用顶板走向长钻孔和邻近巷道倾向钻孔抽放。见图1-a，钻场间距50 m，每个钻场布置10 个孔，1～5 号钻孔长度100 m，倾角13°，方位角分别为9°、10°、11°、13°和15°；6～10 号钻孔长度75 m，倾角19°，方位角分别为16°、18°、20°、22°和24°。见图1-b，从邻近巷道向回风巷顶板打钻孔，两巷道之间留有30 m 煤柱，钻场间距50 m，每个钻场布置10 个钻孔，钻孔长度75 m，钻孔底端距离6 m，1～4 号钻孔倾角21°，方位角分别35°、28°、21°和12°；5～10 号钻孔倾角22°，方位角分别为3°、6°、15°、23°、29°和36°，两钻场钻孔交叉距离10 m。

3.4 邻近层瓦斯的抽放系统

寺河矿二号井建立有抽放系统，开采9 号煤时采用顶板走向长钻孔和邻近巷道倾向钻孔方式抽放邻近层瓦斯，工作面抽放的瓦斯由回风巷管路沿三、四盘区的集中回风巷抽放，主管输送至井下移动式瓦斯抽放泵站，再由管道井输送至地面。瓦斯抽放泵站抽放能力28 m3/min 纯瓦斯，主管满足各盘区2 个工作面抽放能力，达到矿井抽放系统的要求随管路，移动式瓦斯抽放泵站位于井下三、四盘区之间的西轨运输巷与西一回风巷的联络巷中，服务于矿井三、四盘区，见图2。

图1 钻孔布置示意图

图2 瓦斯抽放泵站设备布置示意图

4 邻近层瓦斯抽放工程的效果

矿井邻近层瓦斯抽放系统运行后，分别在93305、93307、94305 和93308 工作面进行了试验。其中93305 和93307 工作面采用邻近巷道倾向钻孔抽放。抽放后93305工作面上隅角瓦斯浓度0.3 %～0.6 %，回风巷瓦斯浓度0.2%～0.4%，瓦斯抽放量12 m3/min，采面抽放率71.0 %，抽放浓度45%，该工作面累计抽放瓦斯量644.65 万m3。抽放后93307 工作面上隅角瓦斯浓度0.4%～0.8 %，回风巷瓦斯浓度0.4 %～0.7 %，瓦斯抽放量15 m3/min，采面抽放率65.2 %，抽放浓度35 %，该工作面累计抽放瓦斯量417.79 万m3。94305 和93308 工作面采用顶板走向长钻孔进行瓦斯抽放。抽放后94305 工作面上隅角瓦斯浓度0.6 %～0.8 %，回风巷瓦斯浓度0.5%～0.8 %，瓦斯抽放量21 m3/min，采面抽放率72.4 %，抽放浓度46 %，该工作面累计抽放瓦斯量360.59 万m3。抽放后93308 工作面上隅角瓦斯浓度0.3%～0.6%，回风巷瓦斯浓度0.2%～0.5%，瓦斯抽放量11 m3/min，采面抽放率75.9%，抽放浓度62%，该工作面累计抽放瓦斯量174.49 万m3。

寺河矿二号井邻近层瓦斯抽放系统投运以来，累计抽放瓦斯纯量2 340.66 万m3，抽放浓度基本稳定在35%～45 %左右，矿井安全生产原煤产量268 万t，经济效益3 亿元。

5 结束语

邻近层卸压瓦斯（尤其是上邻近层卸压瓦斯）涌出量, 有时会比开采煤层瓦斯涌出量大几倍甚至几十倍，严重影响本工作面的生产。寺河矿二号井邻近层瓦斯抽放系统的建设，成功地解决了该矿9 号煤层开采中遇到的工作面上隅角瓦斯超限问题，为安全生产发挥了重要作用。

[1] 夏新川,张秀才,王士涛,等.工作面上隅角瓦斯运移积聚及处理措施[J].煤炭科学技术,2001,29(6)∶5-8,14.

[2] 王魁军,张兴华.中国煤矿瓦斯抽采技术发展现状与前景[J].中国煤层气,2006,3(1)∶13-16,39.

[3] 张永生.采煤工作面上隅角瓦斯超限原因分析及对策[J].矿山压力与顶板管理,2005(2)∶116-117.

[4] 林柏泉,张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社,1996.

[5] 黄建平.近距离邻近层瓦斯抽放技术探讨[J].陕西煤炭，2008(5)∶26-27.

[6] 陈大力.煤层开采时邻近层瓦斯涌出规律的研究[J].煤炭科学技术,1995,23(10)∶26-29.

[7] 马晨晓,陶建国,杨欣成.上邻近层瓦斯抽放钻孔参数设计探讨[J].焦作大学学报,2003(1)∶48-50.