神新能源公司屯宝煤矿综放工作面瓦斯治理

邰江涛

(神华新疆能源有限责任公司屯宝煤矿,新疆乌鲁木齐 830000)

神新能源公司屯宝煤矿综放工作面瓦斯治理

邰江涛

(神华新疆能源有限责任公司屯宝煤矿,新疆乌鲁木齐 830000)

屯宝煤矿现在开采的煤层有M4-5、M9-10，其煤层瓦斯含量各不相同。随着各煤层开采深度的不断增加，矿井瓦斯涌出量也呈现逐渐增大的趋势，瓦斯问题已对安全生产构成威胁，且仅靠通风来解决回采工作面的瓦斯问题也不太合理。鉴于屯宝煤矿的瓦斯问题已对矿井安全生产构成威胁，为确保矿井安全、高效生产，必须建立地面永久抽放瓦斯系统，对邻近层及采空区的瓦斯进行综合抽放，以降低工作面回风流及上隅角中的瓦斯涌出量，确保正常开采。

M4-5、M9-10煤层 瓦斯抽放 回风流上隅角 瓦斯涌出量

屯宝煤矿是神新公司的一个现代化矿井，座落在准南煤田硫磺沟矿区西部，行政区划隶属昌吉市硫磺沟镇管辖，设计生产能力为1．2Mt/a。屯宝煤矿的瓦斯资源相当丰富，经测算其瓦斯储量和可抽量分别为167394．8Mm3和50218．43Mm3，这就为矿井的瓦斯开发利用提供了充足的资源条件，同时也对矿井的安全生产构成了严重的威胁。所以建立永久瓦斯抽放系统对邻近层及采空区的瓦斯进行综合抽放，降低瓦斯涌出量非常必要。以屯宝煤矿I01091003工作面为研究对象，通过现场实践，对高位钻孔抽放在综放工作面的应用进行研究。

1 矿井概况

神华新疆能源有限责任公司屯宝煤矿位于乌鲁木齐市西南42km的昌吉硫磺沟镇。2003年6月整合昌吉市屯河、宝山两个小煤矿组建而成。

1.1 井田概况

(1)井田境界：四号井田东西走向长9．5km，南北倾向宽1．15～4．5km，面积22．5km2，开采标高+1058～+300m。

(2)储量：四号井田地质储量为12．416亿t，可采储量7．45亿t。首采区地质储量为7131．11万t，可采储量为4145．34万t。

(3)资源条件：井田为单斜构造，地质构造较复杂，煤层倾角10～24°。井田内共有7个可采煤层，均为中厚及特厚煤层，总厚度为44．9m。现生产水平开采中所见八条断层，落差为0．5～6m。

(4)水文地质：2013年实测数据为正常涌水量963m3/d（40．13m3/h），最大涌水量1144m3/d（47．6m3/h）。水文地质类型为中等。

(5)瓦斯：根据2012年矿井瓦斯等级鉴定：瓦斯最大相对涌出量2．1m3/t，瓦斯最大绝对涌出量11．53m3/min，二氧化碳最大相对涌出量0．26m3/t，二氧化碳最大绝对涌出量1．46m3/min，采煤工作面瓦斯最大绝对涌出量为10．17m3/min，属高瓦斯矿井。

(6)煤的自燃性：煤层为易自燃煤层，发火期一般为4-6个月。

(7)矿井生产能力：矿井初步设计为120万t/年，主运输环节都预留500万t/年能力。2013年3月，自治区煤炭工业管理局组织专家对矿井生产能力进行了核定，审定结果为270万t/年。

1.2 井田开拓与开采

(1)开拓方式：采用主、副斜井—立风井集中阶段石门开拓方式。在井田中部布置主、副斜井及立风井，+850水平从煤层底板布置主、副石门至煤层顶板，连通水平上山，构成采区。

(2)首采区的布置：首采区布置四条上山，即专用回风上山、行人上山、轨道上山、胶带输送机上山，形成了完备的生产系统。

(3)采煤方法：矿井采用综合机械化放顶煤的采煤方法，全部垮落法管理采空区顶板。

1.3 矿井生产系统及现状

屯宝煤矿，是整合昌吉市屯河、宝山两个小煤矿而组建的，2005年神华集团以（神华规划［2005］510号文）同意屯宝煤矿规模120万t/年，同时预留500万t/年生产能力。同年，新疆发改委以（新发改基础［2005］749号）文：同意核准硫磺沟矿区4号井田建设项目，经过核准，屯宝煤矿一期工程设计生产能力为120万t/年，后期生产能力为500万t/年。

矿井于2003年6月正式进行产业升级项目建设，2009年上半年完成建设项目投入试生产，2010年4月11日通过自治区煤矿安全监察局和自治区煤炭工业管理局安全设施和项目竣工验收，正式进入生产矿井。

2 矿井生产系统

2.1 一通三防

2.1.1 通风系统

矿井采用中央分列式的通风方式和机械抽出式的通风方法，安装FBCDZ-8-NO．28A型矿用防爆轴流式通风机作为矿井的通风动力，一用一备，并实现了双回路供电。矿井通风有效风量利用率90%，等积孔3．07m2。矿井负压990Pa，主扇功率2*400Kw，频率35Hz。

2.1.2 防灭火系统

矿井防灭火采用以注氮防灭火系统为主，黄泥灌浆系统为辅的防灭火手段，设备制氮能力为2000m3/min，注氮方式为连续注氮。在副斜井后山建立了400m3和300m3的消防水池。预测预报主要以束管监测系统为主，矿井安装了JSg4型束管监测系统，对采空区三带、密闭气体进行实时监测分析。

2.1.3 防尘系统

矿井铺设防尘管路共8760m，由地面副井山上的400m3和300m3的水池供水。矿井设置8道捕尘网，在主要进回风巷、综采工作面进、回风顺槽、掘进工作面迎头和回风巷、各运输转载点设置了39道喷雾装置。

2.2 机电运输及自动化系统

2.2.1 运输系统

主斜井设有斜井胶带机运输和主井架空乘车系统。斜井采用固定胶带运输机（型号DTL120/114/3*800），输送量1140t/h，倾斜运距1378m，带宽1200mm，驱动方式为集中驱动。

2.2.2 提升系统

主井提升系统：选用架空乘人装置（型号RJHY90）。

副斜井提升系统：为单钩串车提升，斜长为1278m，轨道采用30kg轨。副斜井运输方式为单滚筒提升机运输方式。

井下提升系统：轨道上山斜长为631m，巷道倾角18°，轨道采用30kg轨，运输方式为单滚筒提升机运输方式。

2.2.3 自动化监控系统

矿井已建成自动化调度系统、矿井皮带运输监控系统、工业电视监控系统、地面10KV变电所监控系统、井下中央变电所监控系统、井下主排水泵三遥系统、地面生产系统自动控制、副井绞车监控系统、矿井无线（小灵通）通信系统及人行装置（猴车）监控系统。

表1 屯宝煤矿本煤层瓦斯抽放难易程度评价结果表

图3-1高位钻孔抽放采空区瓦斯

2.2.4 排水系统

+850水平中央水泵房安装三台离心式水泵（型号MD155-67×8），一用一备一检修，排水能力155m3/min。沿主井筒安装两趟Φ 219mm排水管路，排水高度386m。矿井设内外水仓，外水仓容量975m3，内水仓容量636m3，水仓总容量1611m3。矿井排水系统完善，排水设备的能力满足井下排水需要。

2.2.5 六大系统

安全监测监控系统、矿用人员管理系统、通讯联络系统、压风自救系统、供水施救系统、紧急避险系统功能完善，运行平稳，人员配备充足。

3 综放工作面上隅角瓦斯治理

3.1 I01091003工作面概述

屯宝煤矿目前在I01091003工作面进行开采，开采M9—10煤层。采用综采放顶煤采煤方法开采。1193工作面走向长1304m，倾斜宽为150m，采高3m，放煤厚度5．76m。

回采范围内实见7条断层，从集中石门到开切巷依次为T1—T7，落差最小0．6m，最大7．6m。断层走向斜切区段。构成了该区域复杂的地质条件。M9—10煤层层理、节理发育，结构复杂，其空间形态比较稳定，煤层光泽暗淡，易染手，为半暗型和暗淡型煤。煤层则以不粘煤为主，具有长焰煤的夹层。煤层倾角16°～18°。顶底板以粉砂岩为主，较破碎。

3.2 I01091003工作面设备配置

工作面安装84架ZF5000/17/35型放顶煤液压支架和6架ZFG5600/19/38型放顶煤过渡液压支架，上巷距工作面20m范围内使用三副型号为ZCH18000/23/18超前液压支架支护。采煤机采用MG300/700-WD1型双滚筒采煤机，前、后部溜子型号为SGZ730/2×200，SZZ800/160型中双链桥式转载机一台，下顺槽运煤采用DSJ100/100/2×110型可伸缩胶带输送机一台，上顺槽辅助运输采用SQ-90D型无极绳绞车一台。

3.3 I01091003工作面通风方法

I01091003综放工作面采用全负压通风，I01091003工作面下巷进风，I01091003工作面上巷回风，工作面实行上行通风。工作面的风量核定为1077m3/min。

3.4 瓦斯情况

根据煤科总院沈阳研究院的测定结果，M9-10煤层的瓦斯压力在0．2～0．75MPa之间。M9-10煤层的瓦斯含量在1．13～3．37m3/t之间。M9-10煤层的百m钻孔初始瓦斯涌出量为57．6910-3m3/min，钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0．0335d-1。M9-10煤层的透气性系数为0．46m2/MPa2．d。(表1)

从表中可以看出，屯宝煤矿M9-10煤层属于可以抽放煤层，具备本煤层瓦斯抽放的可行性。

3.5 采空区瓦斯抽放的可行、必要性

根据M9-10煤层的赋存与开采条件分析，回采M9-10时其上有M4－5煤层采空区，下邻近层有M11、M14、M15均处于其开采影响范围内，在煤层开采期间，邻近层有相当数量的瓦斯涌入开采的采空区和工作面。因此邻近层涌出的卸压瓦斯和工作面采空区内的瓦斯是工作面瓦斯的主要来源。

综上所述，屯宝煤矿M9-10煤层属于可以抽放煤层，但其煤层中含水量较大，不利于煤层预抽，同时工作面瓦斯涌出量较大，且前期回采工作面已验证了上述预测，为减少工作面瓦斯涌出量，减轻矿井通风负担，保证工作面正常开采，进行邻近层及采空区瓦斯抽放是必要的。因此，在屯宝煤矿建立抽放瓦斯系统进行瓦斯抽放是必要的也是可行的。

从屯宝矿采掘工作面瓦斯涌出量预测结果来看，开采M9-10煤层回采工作面瓦斯涌出量3．37m3/t，产量5000t/d时，绝对瓦斯涌出量12．37m3/min，综掘工作面月进尺300m/月时，绝对瓦斯涌出量2．22m3/min，因此对于回采工作面瓦斯涌出量已超过《煤矿安全规程》规定回采工作面5m3/min的界限。因此对屯宝矿来说，为彻底有效地解决瓦斯问题，保证矿井的高效、安全生产，进行回采工作面瓦斯抽放是非常必要的。

3.6 抽放瓦斯方法选择依据

据屯宝煤矿工作面的瓦斯涌出量预测以及工作面瓦斯来源分析结果，工作面涌出的瓦斯有30～50%来源于开采煤层，有50%以上来源于采空区（邻近层涌出的瓦斯），需对邻近层和采空区瓦斯进行强化抽放。针对屯宝煤矿工作面瓦斯涌出特征，提出采用高位钻孔进行抽放：

上部煤层瓦斯随工作面推进析出大量游离瓦斯，如不进行有效地拦截，这部分瓦斯直接涌向采空区，而后涌向工作面，造成工作面上隅角瓦斯超限。采用高位钻孔抽放方法是通过钻孔与采空区裂隙带勾通，有效地拦截预放煤层卸压涌出高浓度瓦斯，减轻采空区瓦斯抽放负担，降低采空区瓦斯涌出量。

高位钻孔是提高开孔点标高，增加钻孔在裂隙带的有效长度，利用高位钻孔抽放卸压带的高浓度瓦斯，提高抽放效率，现将高位顺层钻孔施工方法叙述如下：

(1)抽放方法：在回风巷布置的钻场内向采空区方向呈扇形打8个高位钻孔，钻孔终孔点距回风巷的最远距离在100m，封孔后抽放采空区及高层瓦斯。

(2)钻场施工：在工作面回风巷，沿回风巷走向每隔80m开掘一个垂直回风巷的平峒，宽3m，高2．5m，钻场采用锚网支护。

(3)钻孔布置：每个钻场内布置8个钻孔，呈扇形布置，详见图3-1。若煤层倾角为18°，煤层走向没有变化的情况下，各钻孔参数见表3-1。

(4)封孔工艺：钻孔采用聚氨脂封孔，封孔深度5m，封孔段长度2m，封孔管为Φ60mm的铁管（或抗静电塑料管），再用钢丝骨架胶管连接到抽放管上，再连接到主管路上。

表3-1高位钻孔技术参数表

图3-2抽放管路末端连接示意图

(5)抽放管路管理：随着工作面的推进，靠近切眼的抽放钻孔不断报废，当钻孔距工作面切眼一定距离时，该钻孔进入卸压区，进行卸压抽放。随着抽放管路不断变短，靠近切眼的管路要逐段卸下来，端头用法兰片密封。为了不影响工作面的正常回采，需提前拆除距切眼20m以内管路，这给瓦斯管路的管理造成一定困难，所以可以考虑在靠近工作面切眼30m内的钻孔用软胶管与抽放管未端相连，抽放管未端特制一段2～3m长的短管，短管上做几个变径三通，与靠近工作面的钻孔用软管相连，钻孔报废后再向前移动短管，保持短管始终在抽放管路的未端，见图3-2。这样一来，工作面的预抽钻孔可以抽取大量的卸压瓦斯，来弥补难以抽放这一缺陷。

3.6.1 钻孔布置及施工

在I01091003工作面抽放时，采取在综放工作面上端头尾巷埋插管和在+1007回风巷打钻孔抽放上隅角采空区瓦斯，但效果不太理想，后来在I01091003工作面回风巷钻场内打6个直径94毫m的钻孔，长度超过前面相邻钻场20m，终孔点在M8煤与M9煤间，比工作面顶板高5m～7．0m，钻孔终孔点平面位置落在距回风巷开采帮10m内。将钻场间距增加到80m～90m后，钻场内的钻孔长度相应增加到120m，每个钻场钻孔数量增加到10个，钻孔平面位置和终孔点位置皆不变。通过对钻孔内瓦斯浓度、和终孔位置、日推进度、钻孔仰角、及钻场距煤壁的距离等参数的测定，确定当工作面开采高度4．0m时，走向钻孔终孔点距综放工作面顶板高度15m～30m，除靠回风巷的2个钻孔终孔点距工作面顶板偏低外，其它孔皆要达到30m。

3.6.2 封孔

钻孔封孔质量的好坏直接关系到瓦斯抽放的效果，借鉴其它矿井瓦斯抽放孔封孔方式，屯宝煤矿采取在抽放孔上扩孔，扩孔直径由原来的Φ133毫m调整至Φ153毫m，扩孔长度不得少于5m，扩完后上套管，套管直径108mm，套管长度≥2m，封孔长度1m，封孔深度0．2m，上完套管后直接封堵，用黄泥堵严，封孔长度0．3m，在外移钻场时，不用的抽放孔立即用马丽散封堵，封孔长度不少于0．2m，保证封堵严密、不漏气，确保瓦斯不外溢及钻孔不吸风。

3.6.3 钻孔跑位处理

在初次使用4000S钻机在1153工作面钻场向采空区进行施工时，钻孔施工长度170余m，施工仰角18-20度，钻孔终孔高度40-50m，钻孔施工至工作面时，钻头从工作面前部溜子打出来了。也就是说，在170m距离内，钻孔跑钻最大可达到40-50m。针对这种情况，我们自主研制了扶正钻杆，在一根普通钻杆的前端和末端焊接钢板，使其形成三角形状，在钻杆钻动时，始终能够托起钻杆和钻头，有效防止了钻孔跑钻。扶正器使用后，施工过程中未出现过跑钻现象，钻孔穿层正常。

3.6.4 钻孔塌孔处理

在施工抽放钻孔煤岩交界处或过断层期间，钻孔塌孔严重，虽然采取了上隅角埋管等措施，进行开放式抽放，治理效果受到流量限制不是太理想，仍需要使用辅助风机。为保证抽放效果，对所有打完的钻孔下直径89mm有孔PE管，防止出现塌孔。如果已经出现塌孔了，接水管进行冲孔，保证管内不堵塞。

3.6.5 管路中水处理

屯宝煤矿M9-10煤层属于可以抽放煤层，但其煤层中含水量较大，不利于煤层预抽。在抽放初期，由于管路没有安装放水器，管路中的积水严重影响到抽放流量。后期通过矿自主研制新放水器材，通过将水引流到低位放水器中，人工将放水器与抽放系统隔绝开，达到排放管路中积水目的，现在通过放水器已基本解决了管路积水的问题。

3.6.6 上隅角尾巷处理

从屯宝煤矿已开采了1141、1152、1153综采面来看，上隅角瓦斯经常处于高位运行，只要上端头附近移动支架，采空区出现动压显现，空区中的瓦斯就会被压出，造成上隅角瓦斯超限。而上隅角尾巷的存在为瓦斯积聚提供了空间，要消除瓦斯积聚，就要解决上隅角尾巷。为此，我们采取卸上端头锚杆托盘或堵沙袋等方法，对无法自行垮落的端头进行处理，效果较明显。

4 结语

屯宝煤矿开采现水平时，M9-10煤层工作面生产能力5000t/d时，采空区瓦斯涌出量8．34m3/min。根据国内类似矿井的抽放经验和屯宝煤矿实际情况分析，由于抽放负压影响，采空区瓦斯涌出比例会增大，采用高位钻孔抽放采空区瓦斯的瓦斯方法时，瓦斯抽放对采空区瓦斯涌出影响系数为1．3，即M9-10煤层工作面达到设计生产能力时，采空区瓦斯涌出量为10．9m3/min。根据国内类似矿井的抽放经验，采用上述抽放方法后，采空区抽放瓦斯率可达80%，故M9-10煤层采空区抽放瓦斯量为8．72m3/min。屯宝煤矿采用瓦斯抽放措施后，可有效地减少工作面瓦斯涌出量，减轻通风负担，提高矿井安全生产程度和原煤产量。实际生产现场，工作面上隅角瓦斯浓度由原来的0．7%降至0．3%运行，确保了工作面安全开采。