南庄矿井12号煤层卸压瓦斯分源抽采技术的研究和运用

王忠辉

（南庄煤炭集团有限责任公司，山西 阳泉 045000）

南庄矿井12号煤层卸压瓦斯分源抽采技术的研究和运用

王忠辉

（南庄煤炭集团有限责任公司，山西 阳泉 045000）

在矿井瓦斯赋存的基础上，结合上邻近煤岩层采动裂隙场演化及分布规律的相关理论，探索上邻近煤岩层采动卸压瓦斯分布富集规律，研究12号煤层卸压瓦斯分源抽采技术并进行运用，有效进行瓦斯防治，实现安全生产。

矿井瓦斯；煤层卸压；抽采

1 矿井概况

南煤集团南庄矿井位于阳泉市正南2.0 km处。井田面积11.84 km2，设计年生产能力为200万t。井田位于沁水坳陷东部边缘的北段，主要含煤地层为石灰系上统太原组和二迭系下统山西组，上组煤3号、6号煤已采完，现开采下组煤12号、15号煤。开拓方式为斜井采区式，12号煤采用走向长壁薄煤层综采工艺，15号煤采用走向长壁低位放顶综采工艺，顶板管理为全部垮落法。12号煤层均厚1.22 m，顶板为泥岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩、泥岩、中砂岩、细砂岩。

煤系地层中，各煤层均含有瓦斯，另外K2、K3、K4三层石灰岩也是主要的储气层。12号煤层开采时，其瓦斯主要来源于煤层本身及上下邻近层和石灰岩K3、K4，15号煤层开采时，其瓦斯主要来源于上邻近层和石灰岩K2。

矿井有12号和15号煤两个通风系统，通风方式为中央分列式，通风方法为机械抽出式。12号煤层采区通风系统为“两进一回”，回采工作面系统为“一进一回”，另配一条瓦斯抽采巷；15号煤层采区通风系统为“三进一回”，回采工作面系统为“一进一回”。

地面瓦斯抽采泵站装备有CBF610型、2BEC72型和2BEC80型水环真空泵各2台，从地面到井下敷设三趟抽放主管路。抽放工艺包括本煤层预抽、邻近层卸压钻孔抽放、邻近层高抽和采空区抽放。

2 12号煤层工作面上覆岩层采动裂隙分布规律

根据上覆岩层“竖三带”、“横三区”理论和关键层理论，结合12号煤层现场条件，对工作面上覆岩层采动裂隙分布规律进行分析。

2.1 工作面概况

太原组12号煤层厚度平均1.22 m，倾角约5°～7°，平均6°，赋存稳定。12号煤层工作面设计长度180 m，采高1.5 m，采用走向长壁薄煤层综采工艺，全部垮落法管理顶板。12号煤层工作面共布置两条巷道：一条为轨道运输巷兼作回风巷，断面为11.88 m2；一条为皮带运输巷兼作进风巷，断面为11.88 m2。另外有一条专用抽采巷，断面为12.42 m2。12号煤层的主要邻近层有6号、8号、9号、10号、11号、13号煤层，其中13号煤层为下邻近层，其余为上邻近层。

2.2 “竖三带”发育高度

12号煤层上覆岩层中大部分岩层的抗压强度在40 MPa以上，因此其上覆岩层的岩性为坚硬。套用“竖三带”经验公式计算，冒落带最大发育高度为9.89 m，裂隙带最大发育高度为45.50～46.94 m。由此可知，冒落带最高发育至11号煤层底板细砂岩，裂隙带最高发育至8号煤层底板中砂岩。

2.3 关键层位置判别

根据上述分析可知，12号煤层上覆岩层中对岩层控制起作用的关键层有三层，分别为：

关键层I：12号煤层底板细砂岩，厚度为3.80 m，与12号煤层的垂距为6.00 m；关键层II：10号煤层顶板中砂岩，厚度为13.38 m，与12号煤层垂距为14.89 m；关键层III：8号煤层底板中砂岩，厚度15.93 m，与12号煤层垂距35.26 m。

在三个关键层中，关键层I、关键层II为亚关键层，关键层III为主关键层。

3 4609工作面上邻近层卸压瓦斯富集规律及抽采技术的研究和运用

3.1 12号煤层上邻近层卸压瓦斯富集规律

12号煤层上邻近层卸压瓦斯出现分区富集的特点：12号煤层工作面回采过程中，对工作面瓦斯涌出影响较大的是8号、9号、10号、11号煤层以及K4石灰岩，以关键层II（10号煤层顶板中砂岩）为界，位于关键层II下部的10号、11号煤层和K4石灰岩主要构成了低位瓦斯富集区，该区域处在冒落带和裂隙带的过渡区域，离12号煤层较近；位于关键层II以上的8号、9号煤层主要构成了高位瓦斯富集区，该区域位于裂隙带和弯曲下沉带的过渡区域，与12号煤层层间距较大。

3.2 4609工作面上邻近层卸压瓦斯分源抽采技术方案

由于高位瓦斯富集区和低位瓦斯富集区的垂直间距较大，其各自向12号煤层工作面的涌出特征也有所相同，根据以往所采12号回采工作面邻近层卸压瓦斯抽采经验，仅用一种抽采钻孔同时解决两个区域的卸压瓦斯效果较差，工作面瓦斯防治有所困难。因此研究采用12号煤层上邻近层采动卸压瓦斯分源抽采技术，即针对上邻近层卸压瓦斯高、低位分区富集的特点，分别布置高位邻近层卸压钻孔和低位邻近层卸压钻孔分别抽采高位瓦斯富集区和低位瓦斯富集区内的瓦斯，最终达到解决12号煤层上邻近层卸压瓦斯的目的。

1）在瓦斯分源抽采设计过程中主要考虑的因素：

a.根据南庄矿井12号煤层已采工作面的经验分析，工作面回风端头是瓦斯容易积聚的区域，这一区域长度大约有60 m，约占工作面全长的1/3。因此抽采钻孔应布置在回风巷一侧，伸入工作面60 m以上。

b.高位瓦斯富集区内的瓦斯卸压、解吸相对于工作面的推进在时空上具有一定的滞后性，而低位瓦斯富集区的瓦斯对回采空间的影响则更直接、更迅速。抽采巷邻近层钻孔虽然同时穿过低位和高位瓦斯富集区，但由于保护煤柱的隔离作用，邻近层钻孔在工作面推过钻孔后才起作用，无法解决低位富集区瓦斯在工作面推过后迅速涌出的问题。同时低位瓦斯富集区煤层多、瓦斯含量高，抽采巷邻近层钻孔形成的抽采负压场范围小，不能完全控制低位瓦斯富集区，应考虑在回风巷增加低位钻孔来控制低位瓦斯富集区的瓦斯涌出问题。

c.钻孔伸出方向应迎向风流方向，钻孔工程量应尽可能小。

2）卸压瓦斯抽采钻孔技术方案：

a.考虑高位富集区瓦斯卸压、解吸相对工作面开采线的滞后性，高位钻孔在工作面过钻孔一段距离后才起作用。同时考虑钻孔伸入工作面距离以及目前的钻孔施工技术条件，高位钻孔采用抽采巷迎面正交布置，终孔位置到9号煤层顶板，抽采巷与回风巷之间的保护煤柱可使高位钻孔出煤柱高度达到合适高度，不会受采动影响而破坏，以保证钻孔抽采效果。

b.考虑低位富集区瓦斯卸压、解吸相对工作面开采线的直接性，低位钻孔在工作面接近钻孔或过钻孔很短距离即可起到作用。同时考虑钻孔伸入工作面距离以及目前的钻孔施工技术条件，低位钻孔采用抽采巷迎面正交布置，终孔位置到11号煤层顶板，抽采巷与回风巷之间的保护煤柱可使高位钻孔出煤柱高度达到合适高度，也不会受采动影响而破坏，以保证钻孔抽采效果。

c.考虑低位富集区瓦斯对工作面后部影响的距离较大，在抽采巷布置低位钻孔的基础上，在回风巷布置低位钻场予以补充，以彻底解决低位富集区瓦斯，避免对工作面后部及上隅角的瓦斯影响。低位钻场的钻孔采用在回风巷开孔，与工作面斜交迎向布置，钻孔呈扇形迎向工作面方向，有利于瓦斯抽采。终孔位置沿工作面方向分布在80 m范围，形成多个负压场，不仅与瓦斯富集范围相一致，而且分段截流低位富集区卸压瓦斯，减弱了工作面后部的瓦斯累积效应，减少了风排瓦斯量及采空瓦斯残留量。钻场相互接力，使负压场随工作面推进而推进，始终处于低位瓦斯富集区开始卸压的范围，能够及时有效控制该区域的卸压瓦斯。

3.3 4609工作面上邻近层采动卸压瓦斯分源抽采设计

上邻近层采动卸压瓦斯分源抽采技术在南庄矿井4609工作面实施取得了良好效果，根据对抽采效果的考察以及实际抽采过程中积累的经验，逐步对抽采技术体系进行改进，并推广应用到以后回采工作面。图1为4609工作面邻近层抽采钻孔布置示意图。

在4609工作面抽采巷共布置200个上邻近层抽采钻孔，其中高位孔65个，低位孔135个。低位孔终孔层位打到11号煤层顶板石灰岩，高位钻孔打到9号煤层顶板。高、低位钻孔均垂直于抽采巷。每两个高位钻孔之间布置两个低位钻孔，高位钻孔间距20 m，低位钻孔间距10 m。

回风巷钻场瓦斯抽采钻孔布置参数：在4609工作面副巷布置66个低位瓦斯抽采钻场，钻场间距20 m，每个钻场4个低位钻孔，呈扇形布置。抽放作用覆盖距工作面回风巷80 m范围，钻孔终孔伸入工作面投影位置分别为20 m、40 m、60 m、80 m。

钻孔施工及封孔：使用ZDY4000S型全液压坑道钻机用配153 mm钻头进行施工。封孔段扩孔使用93 mm。使用150 mm管配专用封孔材料进行封孔，有效封孔长度不小于5 m。

4 结论

4609工作面于2013年5月份开始回采，2014年9月份停采。在采用上邻近层卸压瓦斯分源抽采技术方案后，工作面系统巷道内瓦斯涌出状况较以往明显改善，生产期间上隅角、工作面及回风流瓦斯浓度显著降低，工作面邻近层瓦斯抽采量持续在60～70 m3/min左右，工作面瓦斯抽采率始终保持在85%以上。

根据上邻近层卸压瓦斯富集规律分析和上邻近层卸压瓦斯分源抽采技术方案的效果考察和分析，得出以下结论：

1）12号煤层上邻近层采动卸压瓦斯的高、低位分区富集规律：12号煤层回采期间，对工作面瓦斯涌出影响较大的是8号、9号、10号和11号煤层及石灰岩K4，位于关键层II下部的10号、11号煤层和石灰岩K4主要构成低位瓦斯富集区，位于关键层II以上的8号、9号煤层主要构成高位瓦斯富集区。

2）针对上邻近层卸压瓦斯高、低位分区富集的特点，提出了矿井12号煤层上邻近层采动卸压瓦斯抽采技术方案。通过在12号煤层4609工作面的示范应用，有效解决了工作面回采期间瓦斯涌出量大的问题，加快了推进度，单产也大幅提高，充分证明该抽采技术在矿井具有显著的有效性和广泛的适应性。

3）确定了12号煤层工作面上邻近层采动卸压瓦斯分源抽采技术体系：高位钻孔采用抽采巷正交布置，终孔位置到9号煤层顶板，伸入工作面35 m范围内；低位钻孔分抽采巷低位钻孔和回风巷低位钻孔：抽采巷低位钻孔采用抽采巷正交布置，终孔位置到11号煤层顶板，伸入工作面15 m范围内；回风巷钻孔采用斜交迎向呈扇形布置，终孔位置到11号煤层，伸入工作面80 m范围内。

4）4609工作面在实施瓦斯分源抽采技术方案后，抽采效果明显改善，工作面风流瓦斯浓度大幅下降，工作面单产大幅提升，未发生瓦斯超限现象。今后将进一步研究初采期间配套抽采技术，使矿井12号上邻近层采动卸压瓦斯分源抽采技术体系更加完善。

（编辑：薄小玲）

3 结束语

瓦斯抽采是一项较为复杂的系统工程，需要在实践中不断优化和改善各个技术环节，逐步完善抽采工程。

本文利用AHP模型将影响煤矿瓦斯抽采现状的各个因素进行了评价分析，并得出了各个因素的权值，我们可以依据权值的排序，有计划、有目的地优化抽采系统和改进技术措施，对煤矿瓦斯治理有一定实践指导意义。

「1]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程「M].北京：煤炭工业出版社，2006．

「2]程远平，付建华，俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展「J].采矿与安全工程学报，2009，2（26）：127-139．

「3]刘捷.基于AHP模型的煤矿安全预评价「J].山西大同大学学报（自然科学版），2009，25（3）：66-69．

「4]杨亚帆，张洋.贵州小型煤矿瓦斯抽采现状评价体系的研究「J].煤炭学报,2014，6（33）：246-248．

「5]张书金，李绍泉，李树清，等.基于层次分析法的煤矿瓦斯抽采技术成熟度评价「J].煤矿安全，2013（9）：169-172．

Abstract:Gas problem has restricted the production and development of mines for a long time.Gas drainage is an effective way to realize the coal and gas simultaneous extraction.Based on AHP model (analytic hierarchy process),an index system on gas drainage could analyze a series of factors which could influence the gas drainage technology development.The study could be helpful for the improvement of the gas drainage.

Key words:gas drainage;analytic hierarchy process;index system

（编辑：刘新光）

Research on Relieved Gas Drainage with Different Sources in Coal Seam 12 in Nanzhuang Mine

WANG Zhonghui (Nanzhuang Coal Group,Yangquan 045000,China)

On the analysis of gas occurrence in mines,combined with the fracture field development and distribution rules of adjacent upper seam mining,gas distribution and enrichment regularity caused by pressure relief of the adjacent upper seam were explored.The gas drainage technology with different sources of seam 12 was studied and used to realize the gas control and safety production.

gas in mine;coal pressure relief;drainage

On Evaluation System of Gas Drainage in Mines Based on AHP Model

LIU Jie
(Datong University,Datong 037003,China)

TD712

A

1672-5050（2015）01-0012-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.005

2014-10-15

王忠辉（1962-），男，山西祁县人，大学本科，工程师，从事煤矿开采管理工作。