薄煤层综采面低位钻孔瓦斯治理试验

王神虎，任智敏，胡耀青

（1.太原理工大学采矿工艺研究所，山西 太原030024；2.山西煤炭职业技术学院，山西 太原030031）

随着中厚煤层资源的减少及煤炭资源需求的增加，要求产量不断提升，高效开采薄煤层已成为煤炭行业的需要，薄煤层回采工作面过风断面小，受矿井总风量及巷道风速的限制，仅利用通风的方法、不能有效的解决回采工作面的瓦斯涌出问题，瓦斯超限已成为制约薄煤层工作面高产高效的主要因素，且是重大危险隐患，为此，国内外学者提出了多种方法治理瓦斯超限技术［1－6］。受矿井条件不同等因素的影响，每种抽放方式的抽放效果及适应条件还需要进一步工业试验验证。通过试验回风顺槽低位抽放瓦斯治理方法对回采工作面瓦斯的治理效果，为解决高瓦斯薄煤层综采工作面瓦斯涌出超限问题提供参考。

1 试验开采煤层及工作面概况

试验煤矿为近距离、近水平煤层群开采矿，井田内可采煤层和局部开采煤层为山西组2＃、3＃、6＃和太原组12＃、15＃煤层。其中山西组2＃、3＃、6＃煤层已采空，太原组12＃煤层为薄煤层，15＃煤层为中厚煤层，是下组煤的主采煤层，具有煤与瓦斯突出危险，作为下保护层先行开采的12＃号煤层，试验工作面1205，工作面设计长度150m，煤层平均厚度1.28m，工作面为走向长壁布置，采用综合机械化采煤工艺，工作面采用后退式开采，全部垮落法管理顶板。煤层倾角3°～7°，开采深度为423～447m，液压支架有效通风断面6.2m2。“三机”配套能力为50～60万t／a。工作面采用U＋L型通风方式，先前开采时统计工作面瓦斯涌出量46～53m3／min。实测12＃煤层钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0259～0.0554α／d－1，煤层透气性系数为1.71～6.90λ／m2／MPa2·d，属于可以抽放～较难抽放煤层。

2 试验方案及结果

2.1 试验方案

12号煤层1205试验工作面共布置三条巷道：一条回风顺槽为运料巷兼作回风巷，断面为10.5m2；一条正巷为运输顺槽兼作进风巷，断面为11.5m2；一条外错瓦斯尾巷为专用排瓦斯巷，断面为9.9m2。）抽放管路设置：瓦斯尾巷敷设两趟Φ380mm瓦斯抽放管，一趟高浓度瓦斯抽放管，一趟低浓度瓦斯抽放管，均在瓦斯尾巷口与采区回风巷的主抽放系统连接。

试验分为二个阶段，第一阶段：抽放钻孔布置方式瓦斯抽放孔布置方式为：在瓦斯尾巷内距切眼10m、20m处各打一低位孔，孔长40m左右，终孔位置为白砂岩，以解决初采期瓦斯；在低位孔之后每40～50m布置一个钻孔（高位钻孔）［7］，倾角为37°～38°，终孔位置为9＃煤层，以解决邻近层瓦斯；通过贯眼抽采空区瓦斯。第二阶段：工作面推进120m后，在保持第一阶段瓦斯抽放方式不变的基础上，实施回风顺槽低位钻场抽放，通过回风顺槽钻场钻孔抽放11＃煤及其附近瓦斯，抽放钻孔设置：回风顺槽在切眼以外每20m布置一个钻场，每个钻场设计4个钻孔，终孔要打到工作面上方11＃煤层以上，向工作面延伸15～60m，抽放工作面支架上部顶板裂隙瓦斯，称之为回风顺槽低位钻场。钻孔呈扇形迎向风流方向布置，终孔位置沿工作面方向分布在60m范围。1205工作面巷道及钻场布置（图1，图2）。

2.2 试验方案实施

第一阶段：实施瓦斯尾巷高位钻孔抽放

1205试验工作面2012年2月开始组织回采，布置瓦斯抽放钻孔，实施瓦斯抽放。从初采阶段开始，随着瓦斯涌出量逐渐增大，到2月底3月初工作面瓦斯涌出量从10m3／min逐步增到49m3／min左右。在工作面生产过程中，工作面后部60m风流瓦斯浓度在0.72%左右；上隅角瓦斯浓度在1.0%左右；回风巷瓦斯浓度0.8%～1%；瓦斯尾巷贯眼瓦斯浓度均在2%以上，个别贯眼瓦斯浓度达到6%。工作面、上隅角、回风流、瓦斯尾巷瓦斯超限频繁，造成工作面无法进行正常生产，将工作面配风量由设计1230m3／min调至上限值1630m3／min左右，调整瓦斯尾巷的分配，工作面已经达到最大风速，不能再进行增加，试验加大瓦斯尾巷高位钻孔的抽放力度，但收效甚微，据统计，在该开采条件下，瓦斯涌出量大约在69m3／min左右，其中抽放量为42m3／min，风排量达到27m3／min，抽采率为60%左右。瓦斯超限没有得到有效遏制，工作面推进度只有1.8～2.4m／d。4月、5月、6月份1205工作面瓦斯抽采情况观测数据统计见表1。

图1 回风顺槽低位钻孔立体示意图

图2 回风顺槽低位钻孔布置图

表1 1205试验工作面第一阶段瓦斯抽采情况统计表

第二阶段：实施回风顺槽低位钻孔抽放

在工作面推过240m后 ，按照试验计划，在保持第一阶段抽放方式不变的基础上，实施了回风顺槽低位钻孔，观测数据表明工作面回风顺槽道内瓦斯含量明显减少，瓦斯浓度明显下降：其回风顺槽瓦斯浓度降至0.5%左右，瓦斯尾巷瓦斯浓度降至1.8%左右，工作面瓦斯浓度降至0.5%左右，上隅角瓦斯浓度降至0.7%左右。将工作面推进度由1.8～2.4m／d增加到4.2～4.8m／d，工作系统内瓦斯涌出量基本没有增加。工作面瓦斯涌出及抽采量见表2。瓦斯抽采率显著提高，呈现出高浓度抽放率升高，低浓度瓦斯抽放率和风排率降低。

表2 1205试验工作面第二阶段瓦斯抽采情况统计表

2.3 试验结果分析

根据表1、表2计算出1205试验工作面，两个阶段的风排率、高浓度抽采率、低浓度抽采率，结果见表3。

表3 1205试验工作面第一阶段与第二阶段主要抽采指标对照表

表3 反映出高浓度抽采率增高25.4%，低浓度瓦斯抽采率降低5.09%，总抽采率增加20.81%，风排率降低，风排量占风排能力的百分比提高，通风条件改善，系统可靠性显著提高。

根据表3的数据，结合采煤工作面上覆岩层移动三带理论（即工作面开采后岩层的跨落和移动状况，将其分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带）。可以得出：冒落带内的卸压瓦斯会直接进入开采空间，部分随风流排出，来不及排放的部分暂时滞留在工作面或采空区内的空隙内；裂隙带内的卸压瓦斯则通过采动纵向裂隙逐步向开采空间渗透，将裂隙带最下部或裂隙带与冒落带过渡区域称为低位瓦斯富集区，该区瓦斯受采场负压的作用大，容易涌向开采空间。低位富集带卸压瓦斯释放到开采空间并被新鲜风流逐步稀释带走，当瓦斯释放速度超过风流排放能力，就会造成瓦斯超限，采用低位钻孔抽放，可以解决此问题。纵向裂隙发育程度与距开采煤层的距离成反比，距开采煤层距离越远，则纵向裂隙的发育程度就越差，瓦斯向开采空间流动的阻力就越大，弯曲下沉带不会产生采动纵向裂隙，该区域卸压瓦斯，一般会汇集于离层空间内，称此区域为高位瓦斯富集区。利用高位钻孔抽放此区域内的瓦斯，可以提高瓦斯抽放率［8－10］。

3 结论

1）薄煤层综采工作面采用在低位瓦斯抽放钻孔，对解决工作面上隅角瓦斯超限的问题有很好的效果，可以保证综采工作面的安全生产，试验仅对抽放后瓦斯的涌出量及抽放量作了统计分析，从宏观的角度分析了低位瓦斯抽放钻孔抽放效果，判定了低位钻孔抽放的可行性，没有统计钻孔的瓦斯抽出量，确定出最佳的钻孔参数，建议在此试验的基础上，进行进一步的现场试验，确定合理的钻孔参数，细化试验成果。

2）通过考察分析，回风顺槽低位钻孔，钻孔呈扇形迎向风流方向布置，风流方向与抽放方向相一致，有利于瓦斯抽放，能够有效的解决试验煤层的工作面瓦斯超限问题，可用于治理试验矿井试验煤层工作面瓦斯涌出，且在试验期间取得了良好的经济和社会效益，为薄煤层综采工作面的瓦斯治理提供了试验参考，具有良好的推广应用前景。

3）试验在同一个工作面分两个阶段进行，第二阶段，同时存在两种抽放方式，观测数据有干扰，应在进一步的试验中，单独使用一种方式，进行抽放效果观测分析。以得出更为可靠的试验结果。

［1］卢平，袁亮.低透气性煤层群高瓦斯采煤工作面强化抽采卸压瓦斯机理及试验［J］.煤炭学报，2010，35（4）：580－585.

［2］袁亮，刘泽功.淮南矿区开采煤层顶板抽放瓦斯技术的研究［J］.煤炭学报，2003，28（2）：149－152.

［3］王福厚.高位钻孔抽放瓦斯冒落带及裂隙带高度确定方法［J］.煤炭技术，2008，27（8）：75－76.

［4］王洁，祁文斌.采煤工作面顺层钻孔消突效果评价［J］.煤矿安全，2013，44（1）：157－160.

［5］游继军，蒋承林.兴隆煤矿15211工作面上隅角瓦斯治理技术研究［J］.中国矿业，2013，22（2）：104－106.

［6］赵术江，何明.岩石截流钻孔抽放瓦斯技术的应用［J］.矿业安全与环保，2013，40（2）：66－68.

［7］詹学知，徐传田.高低双层高位钻孔在治理高瓦斯采煤工作面中的应用［J］.煤矿安全，2003，34（5）：16－17.

［8］董钢锋，胡千庭.工作面采动瓦斯流场分布规律研究［J］.采矿与安全工程学报，2012，29（4）：581－585.

［9］卢晓勇.煤层群首采工作面瓦斯治理技术［J］.矿业安全与环保，2005，32（3）：84－87.

［10］罗红波，姜骑.内错尾巷及顶板走向长钻孔瓦斯治理试验［J］.辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2012，31（5）：630－633.