贺西煤矿瓦斯灾害综合防治技术体系研究

闫志强

（汾西矿业集团公司通风处，山西省介休市，032000）

贺西煤矿瓦斯灾害综合防治技术体系研究

闫志强

（汾西矿业集团公司通风处，山西省介休市，032000）

针对贺西煤矿煤层瓦斯赋存及地质条件，采取保护层开采技术治理煤层瓦斯，消除其突出危险性。形成了地面钻孔抽采与井下钻孔抽采相结合、卸压抽采与预抽相结合、穿层钻孔与顺层钻孔相结合、采前抽采与采中抽采相结合的立体瓦斯抽采模式，结合分煤层工作面采取不同的通风方式，取得了显著的瓦斯抽采效果。

瓦斯抽采 保护层开采 穿层钻孔 顺层钻孔 Y型通风 U型通风

1 矿井概况及突出危险性分析

1.1 矿井概况

贺西煤矿隶属于山西汾西矿业集团 （有限）责任公司，矿区面积18.908 km2，现核定生产能力240万t／a。含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，山西组含煤3～5层，太原组含煤5～7层，其中3＃、4＃、8＃、10＃煤层全井田可采，目前矿井开采3＃、4＃煤层。受区域构造的影响，井田构造总体为走向北西、倾向南西的单斜构造。目前贺西矿井开拓方式为斜-立井开拓，分别由位于主工业场地的主斜井、副斜井、副立井、回风立井、独胡峁回风立井5个井筒开拓全井田。矿井设两个水平开采。

1.2 突出危险性分析

随着开采水平逐步向深部延伸，煤层瓦斯压力及煤层瓦斯含量均随埋深的增加而增大，煤层的突出危险性越来越强。在现有的瓦斯测定参数中，3＃煤层有3个测压孔测定的煤层瓦斯压力超过突出临界值0.74 MPa，分别为1.19 MPa（埋深为468 m）、1.52 MPa （埋深为468 m）、0.84 MPa（埋深为430 m）；4＃煤层有2个测压孔测定的煤层瓦斯压力超过突出临界值0.74 MPa。由此可以判断3＃、4＃煤层的深部区域具有突出危险性，煤层深部区域在采掘之前必须采取区域性的综合防突措施。

2 区域瓦斯抽采技术

2.1 保护层开采技术

贺西煤矿主采3＃煤层和4＃煤层，两者层间距较小，只有13 m左右，属于近距离煤层群开采条件，且两煤层瓦斯赋存规律基本相同，在深部均具有突出危险性。

贺西煤矿从2000年开始采用保护层开采技术，将3＃煤层做为保护层，4＃煤层做为被保护层。开采3＃煤层的同时对4＃煤层进行打钻预抽和开采卸压，有效保证了4＃煤层的安全回采。3＃煤层瓦斯抽采主要采用密集顺层钻孔、密集穿层钻孔等预抽煤层瓦斯技术消除其突出危险性，4＃煤层瓦斯抽采采用卸压瓦斯抽采技术消除其突出危险性。截至目前，共回采保护层工作面22个，其中，二采区11个 （2301～2311），三采区11个 （3301～3311）。保护层开采情况见表1。

表1 保护层开采情况表

2.2 保护层 （3＃煤层）区域瓦斯抽采技术

2.2.1 煤巷条带消除危险性措施

（1）底抽巷布置。考虑到顺层钻孔可施工400～500 m，在倾向上可覆盖两个工作面，因此决定在倾向上两个回采工作面施工1条底抽巷。从3314预抽巷到中嵋芝风井长约1640 m，其间共布置工作面8个，需施工底抽巷4条。为便于底抽巷施工，计划将底抽巷布置在6＃煤层中，沿6＃煤层底板掘进，巷道断面15 m2。

（2）穿层钻孔布置。直接从底抽巷内向煤层施工网格式密集穿层钻孔，预抽煤层瓦斯，力争在较短的时间内区域性消除工作面煤巷条带煤体的突出危险性，底板岩巷穿层钻孔布置如图1所示。

图1 底板岩巷穿层钻孔布置平面图

底板巷道须布置钻场，钻场在巷道内均匀布置，钻场尺寸应能满足大功率钻机施工的需要，一般不小于12.25 m2（3.5 m×3.5 m）。穿层钻孔直径不小于90 mm，在倾向上每组布置7个钻孔，钻孔间距5 m，钻孔间距以3＃煤层中厚线为准，钻孔穿透煤层，进入煤层顶板0.5 m；在走向上每隔12 m施工一组钻孔。可根据抽采效果后期在两组钻孔之间另补充钻孔。钻孔在煤层内均匀布置，施工完成后钻孔在煤层上应呈规则的长方形网格状布置。穿层钻孔可用水泥砂浆封孔，封孔长度在8 m以上，抽采负压在25 k Pa以上，抽采时间不小于5个月。待煤巷条带消除危险后便可施工3＃、4＃煤层的煤层巷道。

2.2.2 工作面煤体消除危险性措施

3＃煤层工作面开采区域采用顺层钻孔瓦斯抽采方式消除其突出危险性。3＃煤层顺层钻孔布置如图2所示，从开掘出的3＃煤层巷道中沿煤层施工上向顺层钻孔，钻孔施工长度约为两个工作面长度，即400 m，钻孔直径不小于90 mm，钻孔间距5～6 m，抽采时间不小于4个月，抽采效果满足防突规定要求。

图2 3＃煤层顺层钻孔布置平面图

2.3 被保护层 （4＃煤层）区域瓦斯抽采技术

由于3＃、4＃煤层为近距离煤层群，3＃煤层开采对4＃煤层造成卸压影响，且3＃煤层开采过程中4＃煤层瓦斯将涌入3＃煤层工作面，因此4＃煤层的顺层抽采钻孔必须在3＃煤层开采前施工结束，用于3＃煤层采动作用下形成的4＃煤层卸压瓦斯。

4＃煤层顺层钻孔布置如图3所示，从开掘出的4＃煤层巷道中沿煤层施工上向顺层钻孔，钻孔施工长度约为两个工作面长度，即400 m，钻孔直径不小于90 mm，由于4＃煤层为卸压瓦斯抽采，钻孔间距可比5～6 m适当放大。抽采时间根据对应上部3＃煤层工作面的开采时间确定，要求3＃煤层开采后再抽采不小于2个月的时间，抽采效果满足防突规定要求。

图3 4＃煤层顺层钻孔布置平面图

2.4 地面钻井水力压裂瓦斯抽采技术

地面钻井抽采可在井下采掘巷道施工之前进行，有利于解决煤矿常出现的 “抽、掘、采”接替紧张局面。为此在矿井的规划区与晋城蓝焰集团公司合作开展了地面钻井瓦斯抽采，由于煤层透气性较差，需要对3＃、4＃煤层分别进行水力压裂，增加煤层的透气性。地面压裂钻井结构如图4所示。水力压裂施工需要专用的压裂泵、加砂器等装备，一般采用专业压裂车队进行施工。在施工前必须有专门的压裂施工设计，压裂施工过程一般分为打前置液、加支撑剂、打替置液等几个阶段。通过压裂形成裂隙并利用固体支撑确保裂缝长期存在，增加煤层透气性，进而提高地面钻井瓦斯抽采效果。目前施工地面钻井约40余口。

图4 地面压裂钻井结构示意图

3 工作面通风方式

3.1 保护层3＃煤层工作面Y型通风方式

贺西煤矿采用下行开采顺序，保护层3＃煤层首先开采，开采过程中涌出的瓦斯不仅有本煤层瓦斯，还有邻近层4＃煤层瓦斯，瓦斯涌出量大，为此3＃煤层工作面采用侧机巷、轨道巷进风，采空区侧沿空留巷回风的Y型通风方式。沿空留巷尾部通风压力最低，工作面漏风进入采空区后携带瓦斯向沿空留巷尾部方向运移，造成采空区沿空留巷侧及后部瓦斯浓度较高，而靠近工作面侧整体瓦斯浓度较低，不存在上隅角瓦斯浓度超限问题，有助于工作面的开采安全。

3.2 被保护层4＃煤层工作面U型通风方式

由于保护层开采过程中被保护层4＃煤层瓦斯得到大量的释放与抽采，4＃煤层开采过程中瓦斯涌出量小，采用U型通风方式可以满足工作面的安全开采要求。U型通风包括一条进风巷道和一条回风巷道，部分风量从工作面下部漏风进入采空区后，然后从工作面上部携带瓦斯排出进入回风巷，造成上隅角附近瓦斯浓度较高，另外，由于采空区后部瓦斯没有排放通道，随着工作面的开采，采空区后部积聚有大量高浓度瓦斯。为防止上隅角瓦斯超限，常采用采空区埋管、上隅角插管、顶板走向钻孔等措施抽采瓦斯。

4 工作面开采期间瓦斯抽采措施

4.1 Y型通风工作面回采期间瓦斯抽采措施

（1）沿空留巷埋管瓦斯抽采。在工作面开采过程中可利用沿空留巷对采空区瓦斯进行埋管抽采。在进行巷帮充填过程中需要在墙体内铺设抽采支管。沿工作面推进方向在充填墙体内每隔6 m铺设1根支管，支管通过三通与主管路连同，每个支管上安设阀门，根据支管的抽采量浓度、抽采量情况关闭相关阀门，减小抽采负压损失。抽采支管直径200 mm，长度为3.5 m，抽采支管口距离充填垛内墙不大于0.3 m，支管口采用花管及金属网罩防护，高度位于充填垛中上部。沿空留巷采空区埋管如图5所示。

图5 沿空留巷采空区埋管示意图

（2）倾向穿层钻孔抽采。目前3＃煤层工作面布置有材料巷、运输巷和回风巷3条巷道，充分利用回风巷，从回风巷中向煤层工作面顶板施工倾向穿层钻孔，抽采裂隙带内的瓦斯，减小采空区瓦斯向工作面的涌入。倾向穿层钻孔直径94 mm，钻孔间距6 m。钻孔布置如图6所示。

图6 顶板穿层钻孔布置示意图

4.2 U型通风工作面回采期间瓦斯抽采措施

（1）上隅角埋管瓦斯抽采。4＃煤层工作面开采过后，采空区顶板岩层冒落，采空区倾向上部由于区段煤柱的支撑作用，在一定时期内形成一个三角形空间，这为采空区瓦斯流动及汇集提供了条件。针对这种低负压、大流量瓦斯抽采，采用了采空区埋管抽采。

图7 采空区埋管瓦斯抽采平面示意图

采空区埋管瓦斯抽采如图7所示。首先沿回采工作面的回风巷上帮铺设一条直径不小于250 mm的瓦斯管路 （干管），在管路上每隔25 m安设一个三通，并安设阀门；在开切眼侧的第一个三通（1＃三通）处将直径为108 mm橡胶埋吸管 （支管）与主瓦斯抽采管连接，橡胶埋吸管长30 m，橡胶埋吸管的末端连接瓦斯抽采器 （橡胶埋吸管与瓦斯抽采器不可回收）；随着工作面向前推进，橡胶埋吸管与瓦斯抽采器逐渐进入采空区内部开始抽采瓦斯，采取交替迈步的抽采方式，对工作面后方5～30 m范围的采空区实现连续抽采。

（2）顶板走向钻孔瓦斯抽采。从运输巷中每隔一定距离施工斜巷进入煤层顶板，在煤层顶板中开挖钻场。从钻场中向工作面采空区方向施工5～10个顶板走向钻孔，钻孔长度根据钻机的施工能力确定，但一般不小于80 m，钻孔开孔位置距煤层顶板不小于0.5 m，沿倾斜方向钻孔控制风巷向下40 m的范围，在垂向上钻孔终孔一般布置在垮落带顶部和断裂带下部区域。为保证工作面过钻场时顶板钻孔的抽采效果，前后钻场钻孔压茬不小于30 m，顶板走向钻孔布置见图8。在工作面采动作用下，上覆岩层冒落，形成裂隙。在孔口负压和瓦斯浮力的作用下，大量采空区瓦斯进入顶板裂隙中，并沿顶板走向钻孔进入矿井抽采管网，实现采空区瓦斯抽采、减少采空区瓦斯向工作面涌入的目的。也可从回风巷中向煤层顶板施工钻场。

图8 顶板走向钻孔布置示意图

5 瓦斯治理效果分析

通过近3年来的区域性瓦斯治理，贺西煤矿安全状况得到根本性改变。矿井瓦斯抽采量大幅度提升，矿井瓦斯抽采率由2010年的50.61%提高到2012年的57%，工作面风排瓦斯浓度由0.36%降到0.20%，瓦斯超限次数 由31次降至4次，实现了煤矿的安全生产。

［1］俞启香，程远平 .矿井瓦斯防治 ［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2012

［2］国家安全生产监督管理局，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

［3］国家安全监督管理总局 .矿井瓦斯抽采基本指标［S］.AQ1026-2006，2006

［4］国家安全监督管理总局 .保护层开采技术规范 ［S］.AQ1050-2008，2008

［5］付建华，程远平 .中国煤矿煤与瓦斯突出现状及防治对策 ［J］.采矿与安全工程学报，2007（3）

［6］袁亮 .低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践 ［M］.北京：煤炭工业出版社，2008

［7］焦先军 .淮南潘谢矿区地面钻井卸压瓦斯抽采技术及应用研究 ［D］.徐州：中国矿业大学，2009

［8］林柏泉，张仁贵 .U型通风工作面采空区瓦斯涌出及其治理 ［J］.煤炭学报，1998（2）

［9］张树川，泰永洋等 .高瓦斯综采面Y型通风采空区漏风规律研究 ［J］.煤炭科学技术，2009（10）

［10］程远平，俞启香 .中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展 ［J］.采矿与安全工程学报，2007（4）

［11］俞启香，程远平 .高瓦斯特厚煤层煤与瓦斯卸压共采原理及实践 ［J］.中国矿业大学学报，2004（2）

［12］邸学勒，梁跃强等 .大宁煤矿瓦斯地质规律及防治措施研究 ［J］.中国煤炭，2013（5）

［13］游浩，李宝玉，张福喜 .阳泉矿区综放面瓦斯综合治理技术 ［M］.北京：煤炭工业出版社，2008

Research on comprehensive control techniques of gas disaster in Hexi Coal Mine

Yan Zhiqiang
（Department of Ventilation，Fenxi Mining Group Co.，Ltd.，Jiexiu，Shanxi 032000，China）

According to the occurrence of coal seam gas and the geological condition of Hexi Coal Mine，the mining technique of protective seam was used to control coal seam gas and to avoid the gas outburst.The comprehensive gas drainage mode was established，including gas drainage from surface and underground boreholes，pressure relief drainage combined pre-drainage，drilling through and along coal seam，as well as drainage before and during mining.Combine with different ventilation modes for different coal seams，the satisfied gas drainage effect was obtained.

gas drainage，mining of protective seam，drilling through coal seam，drilling along coal seam，Y-type ventilation，U-type ventilation

TD712

A

闫志强 （1980-），男，山西右玉人，本科学历，现任汾西矿业集团贺西煤矿总工程师，长期从事通风安全方面的研究工作。

（责任编辑 张艳华）