晋平煤业高瓦斯综放工作面瓦斯抽采技术体系

刘 锋

（1.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司 瓦斯研究分院，辽宁 沈阳 110016）

晋平煤业107 采区通风线路长，风流阻力大，主扇负压偏高；井下采空区较多，各地点密闭均有不同程度受压导致漏风严重；井下通风巷道变形、底鼓等使巷道通风断面减小。以上原因严重影响工作面瓦斯通过风排降低瓦斯浓度。当前矿井绝对瓦斯涌出量为120.90 m3/min，相对瓦斯涌出量为23.94 m3/t，煤层瓦斯含量大，普通单一的瓦斯抽采技术难以完全控制和降低井下采掘空间的瓦斯浓度。学者普遍认为瓦斯治理要成体系，综合治理体系必将成为瓦斯治理的趋势[1-3]，抽采技术参数精准化和抽采装备智能化是日后的发展方向[4]。因此，必须根据各个矿井、采区、工作面或者回采巷道的工程技术条件，研究形成适用于本矿井的瓦斯抽采体系，将采掘空间的瓦斯浓度降低到安全限值以下。

根据晋平煤业107 采区开采3 号煤层的工程技术条件，建立了该采区详细的瓦斯抽采体系，为同类技术条件的工作面煤层开采提供技术参考。

1 工程概况

1.1 矿井概况

晋平煤业位于山西省襄垣县，为高瓦斯矿井，所采3 号煤层位于山西组中下部，煤层厚度为5.17～6.21 m，平均5.72 m。3 煤层结构简单，一般含0～2 层夹矸。顶、底板岩性均为泥岩、砂质泥岩。

1075 综放工作面平均长度180 m，平均采高2.50 m，放顶煤高度3.22 m，回采率为86%，回采工作面日产量为3273 t。3 号煤层瓦斯相对压力为0.07～0.49 MPa，煤的坚固性系数（f 值）为0.57，煤层透气性系数为1.76 m2/（MPa2·d），煤层瓦斯流量衰减系数为0.025 d-1。工作面采用采煤机落、装煤，支撑掩护式液压支架支护顶板，全部垮落法管理顶板，“U”型通风方式通风。

1.2 采区瓦斯赋存规律

将107 采区工作面瓦斯含量实测值及测点埋深采用office 软件绘制成散点图如图1。

由图1 可以看出，107 采区工作面3 号煤层瓦斯含量随埋深增加而增大，两变量之间具有较好的线性相关性。将各点进行线性回归（相关系数R2=0.843 2），得到107 采区3 号煤层瓦斯含量分布规律，如公式（1），瓦斯含量增长梯度为2.56 m3/（t·hm）。

图1 3 号煤层瓦斯含量与埋深之间的关系图

W=0.025 6H-0.190 2 （1）

式中：W为煤层瓦斯含量，m3/t；H为煤层埋藏深度，m。

3 号煤层的埋藏深度自南向北逐渐增大，最大深度为460 m。由式（1）可知3 号煤层107 采区瓦斯含量最大值位于井田的北部，瓦斯含量最大为11.59 m3/t。

采用分源预测法，结合3 号煤层瓦斯含量及工作面日产量预测107 采区工作面瓦斯涌出量，结果见表1。

表1 回采工作面最大瓦斯涌出量预测结果表

2 高瓦斯工作面瓦斯抽采技术体系

国内有大量的学者和工程技术人员分别针对不同的抽采技术进行了理论和工程研究[5-7]。按照瓦斯来源，抽采技术大致可分为开采层抽采、邻近层抽采、采空区抽采三大类。结合抽采时间与工作面回采的时空关系，又可以分为不同的抽采方式，不同的瓦斯抽采技术有不同的适用条件，见表2。

表2 瓦斯抽采体系

2.1 高位钻孔抽采

针对高瓦斯无煤柱综采或综放工作面的上覆岩层垮落特点，为解决回采空间瓦斯超限问题，沿工作面回风巷开掘一系列垂直回风巷的平巷作为钻场，在钻场内施工高位钻孔抽采上邻近层瓦斯。钻场深3 m，宽6 m，首钻场距开切眼70 m。每个钻场内布置6 个钻孔，呈扇形布置。根据晋平煤业107 采区工作面顶板初次来压距离及襄垣地区其他矿井生产经验，确定裂隙带高度约为35～50 m，设计钻孔终孔位置为工作面采高的5～10 倍位置左右。根据计算钻场间隔35 m 的距离时，前后钻场内的钻孔搭接位置均在裂隙带内，因此确定钻场间距为35 m 已保证高位钻孔瓦斯抽采的正常搭接。107 采区工作面高位钻孔施工参数见表3，高位钻孔布置示意图如图2。

表3 高位钻孔技术参数表

2.2 顺层钻孔抽采

设计在工作面回采巷道施工顺层钻孔，开孔高度为巷道底板以上1.2 m。瓦斯预抽钻孔施工完成后，采用一次性囊袋注浆装置“两堵一注”方式封孔，封孔深度12 m，钻孔直径为94 mm，封孔管直径为75 mm。之后立即将封孔管连接到支管上，再连接到干管上进行预抽。抽采钻孔布置如图3，顺层钻孔技术参数见表4。

图3 回采工作面瓦斯抽采钻孔布置平面图

表4 回采工作面顺层钻孔技术参数表

2.3 边掘边抽

107 采区掘进工作面的最大瓦斯涌出量为3.83 m3/min，大于3 m3/min 且依靠通风能力不能解决瓦斯问题。为降低掘进工作面瓦斯浓度，采用边掘边抽方式治理工作面瓦斯。钻场规格尺寸为：宽3.5 m，长4 m，高3 m，钻场间距为50 m。钻场的布置应免受采动影响，避开地质构造带，抽采钻孔布置相对巷道保留20 m 的超前距离，保证抽采密封效果。边掘边抽钻孔示意图如图4。

图4 边掘边抽钻孔示意图

3 瓦斯抽采效果

晋平煤业107 采区工作面瓦斯抽采体系建立以后，相较于以往采用单一的瓦斯抽采技术，极大地降低了回采和掘进工作面回风瓦斯浓度，现场回风隅角瓦斯浓度保持在0.48%～0.68%，回采工作面回风流瓦斯浓度稳定在0.25%～0.46%之间，掘进工作面回风流瓦斯浓度稳定在0.18%～0.39%之间。矿井瓦斯抽采率为56%，残余瓦斯含量降低到5 m3/t，取得了良好的瓦斯治理效果，有效保障了井下安全高效生产。

4 结论

（1）107 采区3 号煤层的瓦斯含量增长梯度为2.56 m3/（t·hm），瓦斯含量最大为11.59 m3/t。

（2）建立了高位钻孔抽采邻近层和采空区覆岩上方瓦斯、顺层钻孔预抽和边采边抽本煤层瓦斯，巷道侧向钻场边采边抽掘进头前方瓦斯的高瓦斯工作面瓦斯治理体系，使回采空间的瓦斯浓度保持在安全限值以下，残余瓦斯含量降低到5 m3/t。