突出矿井瓦斯抽采技术研究与应用

宋 杰

(西山煤电(集团)公司官地矿，山西 太原 030022)

1 概况

西山煤电集团东曲煤矿主要开采 2#、4#、8#、9#煤层。现开采的2#、4#、8#煤属于不易自燃发火煤层，具有爆炸危险性，采用平硐、斜井联合开拓。东曲矿主要瓦斯来源为本煤层采空区及上部邻近层有效卸压区内及围岩涌出的瓦斯，相对瓦斯涌出量12.86 m3/t，最大绝对瓦斯涌出量 82.18 m3/min，属于高瓦斯矿井。随着矿井开采深度加大和工作面单产水平的提高，工作面绝对瓦斯涌出量不断增大，虽然采用了增大工作面配风量等措施，但瓦斯仍然经常达到临界报警范围，仅靠通风方法已不能解决瓦斯超限问题。采用钻孔抽放存在难钻进、易塌孔、流量小等问题，瓦斯治理效果不理想。为此，要在研究工作面回采引起上覆岩层活动规律的基础上，结合以往的瓦斯抽放经验，采用科学方法确定瓦斯高抽巷的合理位置，进而实现高瓦斯厚煤层综合机械化采煤工作面瓦斯的有效治理和矿井的高产高效。以东曲矿+860水平28202工作面为研究对象，通过理论分析和实验室相似模拟实验，深入分析工作面开采引起上覆岩层移动变形规律和裂隙场分布规律及围岩裂隙场发育过程，研究分析裂隙场的分布及发育过程对抽放瓦斯效果的影响，确定合理的高抽巷布置方式和参数，提出高抽巷的布置方案。确定在对28202工作面进行施工的同时，对28202高抽巷进行掘进，总计掘进长度1 395 m，且高抽巷与28202工作面皮带顺槽内错距离在25～30 m，巷道与8#煤层的垂直距离在25～45 m。

2 28202高抽巷试验研究

2.1 28202工作面地质情况

28202工作面位于东曲矿二采区+860水平，工作面标高882～923 m，地面标高1 042～1 215 m，盖山厚度148～293 m。该工作面北东为+860水平二采区边界回风巷;北西为+860水平猴车暗斜井;南东为+860水平总回风巷;南西为已规划的28204工作面。上方2#、4#煤已回采、7#煤未回采。4#～8#煤的层间距为66～81 m。工作面走向长度978 m，倾斜长度206 m。该工作面煤层结构复杂，赋存较稳定。8#煤层厚度2.2 ～3.8 m，平均厚度3.3 m，煤层夹1 ～3 层夹矸;煤层倾角2°～8°，平均倾角 5°。

该面整体呈单斜构造，有宽缓小褶曲存在;距切眼285～335 m有一褶曲为向斜，轴走向149°～159°，距切眼576～604 m有一褶曲为背斜，轴走向139°～152°，对回采有一定的影响。据掘进资料可知，本工作面掘进时共揭露10条断层，均为正断层。

2.2 28202工作面高位抽采巷瓦斯抽放布置

28202工作面顶板岩层走向高抽巷的布置见图1，从+860东翼胶带巷以斜坡打到距8#煤层15 m左右的上邻近层中，然后沿该层平行两条顺槽向开切眼方向布置，掘进长度1 395 m。

图1 顶板高抽巷布置图

高位抽巷沿7#煤顶板施工(位于28202工作面上方26 m处)，贯穿工作面走向长度，内错28202皮带顺槽22 m，巷道采用半圆拱断面，面积8.89 m2。为保证28202高抽巷能实现最好抽采效果，高抽巷内施工了3个水平，即距高抽巷口350 m处为第1水平(全长100 m)，距高抽巷口570 m处为第2水平(全长355 m)，距高抽巷口990 m处为第3水平(全长100 m)。高位抽采巷采用封闭巷道埋管方式抽采。最终，28202工作面高抽巷与28202工作面皮带顺槽内错距离在25～30 m，巷道与8#煤层的垂直距离在24～45 m，其中，从28202工作面中切眼向外210 m时，高抽巷与8#煤层的垂直距离24 m→40 m;由此再向外520 m后，高抽巷与8#煤层的垂直距离在40～45 m变化;此后高抽巷与8#煤层的垂直距离40 m→24 m。高抽巷采用锚网支护，巷道断面施工图见图2。

图2 高抽巷施工断面图

施工后，28202工作面高抽巷内不得有任何杂物和导电体，巷口采用两道密闭墙，密闭墙周边掏槽，要见硬帮、硬底，中间充填0.5 m黄泥进行密闭，以保证不漏气，见图3。抽放管口位置距离密闭里墙面不得＜0.5 m，最好 ＞2 m，高度应大于巷道高度的2/3。抽放管口应设有不能进入杂物的保护网。如果“高抽巷”内淋水较大，则要在密闭底部安设排水管。

图3 高抽巷抽放系统设置示意图

根据28202综采面需要抽放的瓦斯量、管路阻力、预计的抽放瓦斯浓度和井下现场实际条件，设计采用2台SK－60型水环式真空泵，一用一备。正常运行时最大抽放流量60 m3/min，极限真空度14.67 kPa，抽放主干管为254 mm无缝钢管，布置在开拓巷道内，支管采用抗静电阻燃玻璃钢管，布置在工作面回风巷。

3 高抽巷瓦斯抽放效果分析

当28202工作面高位巷完成布置后，截止到5月31日，28202工作面回采推进了776 m，期间28202工作面高抽巷瓦斯最大涌出量为25.91 m3/min，最小瓦斯涌出量为 7.3 m3/min，平均瓦斯涌出量为15.62 m3/min，而平均抽采瓦斯量为27.86 m3/min，高抽巷抽采瓦斯量占抽采瓦斯总量的56.1%。而平均绝对瓦斯涌出量为39.32 m3/min，其中风排平均瓦斯涌出量为11.46 m3/min，则28202工作面高位巷瓦斯抽放率为:15.62 m3/min ÷39.32 m3/min ×100%=39.7%。

在工作面回采工程中，28202工作面高位巷瓦斯浓度除抽采初期达到21.3%外，推进过程中由3.1%逐渐增加至10%左右，瓦斯抽采浓度峰值达到12.7%。高抽巷的绝对瓦斯涌出量也由初期的8.43 m3/min增加至 20 m3/min左右，峰值为 25.91 m3/min。高抽巷抽放瓦斯波度变化曲线见图4，瓦斯抽放量变化曲线见图5。

图4 28202工作面高抽巷抽放瓦斯浓度变化曲线图

图5 28202工作面高抽巷瓦斯抽放量变化曲线图

4 高抽巷位置优化

通过对28202工作面高位巷瓦斯抽放情况的监测，高抽巷的抽放没有达到预期效果，高抽巷的瓦斯抽放率达到39.7%，没有达到预期的50%。而在28202工作面正常回采过程中，高抽巷瓦斯涌出浓度偏低，为7% ～12%。瓦斯浓度低，不利于工作面抽放瓦斯的再利用，需要额外添设瓦斯提纯设备，这会降低瓦斯抽放利用的经济性。瓦斯抽放煤层瓦斯效果差，主要表现在煤层瓦斯抽放率低，而影响煤层瓦斯抽放效果的主要因素除了煤层自身含瓦斯条件外，还取决于煤层透气性及瓦斯抽放工艺参数。因此，提高煤层瓦斯抽放效果的技术途径主要是从两个方面着手考虑:一是改进瓦斯抽放工艺参数，二是增大煤层透气性。

目前，28202工作面高抽巷处于“抽放量大，瓦斯浓度低”的状态。这表明:一方面虽然现有高抽巷位于45 m高度，但其整体高度仍然偏低;二是由于工作面后方，位置较低的高抽巷，并没有因采空区瓦斯的三带分布，减弱工作面风流与高抽巷的某种联系，导致高抽巷的瓦斯浓度依然较低。

因此，根据实验室的试验结果，建议下一个工作面高抽巷内错工作面的距离应进一步增大，高抽巷的高度可在现有高度的基础上稍微增大。经过分析，确定下一个工作面高抽巷应内错工作面30～50 m、高抽巷的高度为50～60 m。