南庄煤矿瓦斯综合治理技术研究与实践

冯建生 王玉怀

（1.国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿，内蒙古自治区鄂尔多斯市，017209；2.华北科技学院，河北省三河市，065201）

南庄井田位于沁水煤田阳泉矿区东南边缘，煤系地层属石炭二叠系的太原组和山西组。井田内有15层煤，从上往下依次为1＃煤层、2＃煤层……14＃煤层、15＃煤层，其中6＃煤层局部可采，12＃和15＃煤层赋存稳定，全部可采，其余煤层为不可采煤层。煤系地层中 3＃、6＃、8＃、9＃、10＃、11＃、12＃煤层均含有大量瓦斯，煤层上部的K2、K3、K4石灰岩中也含有大量瓦斯，15＃煤层中瓦斯含量较小。

南庄煤矿建矿多年，井田内大部分区域已开采完毕，仅剩12＃煤层六采区和15＃煤层八采区，12＃煤层六采区在15＃煤层八采区正上方，两煤层同时进行开采。矿井核定生产能力为200万t／a，属高瓦斯矿井。

1 12＃煤层六采区综采工作面瓦斯治理技术

12＃煤层瓦斯含量高，上邻近层瓦斯含量也高，工作面开采过程中，上邻近层大量瓦斯沿裂隙下行进入工作面，与本煤层瓦斯叠加，引起工作面瓦斯超限。为治理12＃煤层综采工作面瓦斯，南庄煤矿针对工作面开采强度、瓦斯来源和瓦斯涌出量等具体情况，经过多年探索、实践和改进，逐步形成了高低位钻孔相结合的瓦斯综合治理技术。

由于12＃煤层工作面瓦斯主要来源于上邻近层，所以针对12＃煤层上邻近层不同的瓦斯聚积区，分别布置不同类型的钻孔进行专门抽采。按照抽采目标层位的不同，从下向上布置的瓦斯抽采钻孔依次有回风巷初采钻孔、瓦斯抽采巷初采钻孔、回风巷低位钻孔和瓦斯抽采巷高位钻孔。本文以12＃煤层2126回风巷和2126瓦斯抽采巷钻孔为例进行分析。

1.1 瓦斯涌出量与风量

经统计，12＃煤层六采区工作面初采期间最大瓦斯涌出量为22.1 m3／min，平均瓦斯涌出量为11.35 m3／min；正常回采期间最大瓦斯涌出量为10.18 m3／min（风排），平均瓦斯涌出量为9.15 m3／min（风排），正常回采期间的最大瓦斯抽采量为19.6 m3／min。

针对上述情况，12＃煤层六采区工作面根据正常回采期间的最高瓦斯涌出量配风，经计算工作面配风量为1222 m3／min。

1.2 回风巷初采钻孔设计

12＃煤层六采区初采期间，由于工作面顶板裂隙发育高度达不到高位钻孔所在位置，高位钻孔暂时不起作用，容易出现瓦斯超限。针对这种状况，在12＃煤层回风巷专门设计了初采钻孔。

回风巷初采钻孔抽采目标是初采期间工作面顶板到11＃煤层之间的瓦斯。在2126回风巷距切眼40 m处布置1号钻场，间隔20 m布置2号钻场，在1号和2号钻场内布置初采钻孔。每个钻场分别设计5个初采钻孔，钻孔开孔位置距底板1.5 m，钻孔间距为0.5 m，孔径160 mm。在水平面上钻孔终孔位置距回风巷水平距离分别为10 m、15 m、20 m、25 m、30 m，在垂直面上1＃、2＃、3＃、4＃钻孔终孔位置在12＃煤层与11＃煤层之间，5＃钻孔终孔位置在11＃煤层内，距12＃煤层顶板约11 m。1号钻场初采钻孔设计如图1所示。

图1 1号钻场初采钻孔设计

1.3 瓦斯抽采巷初采钻孔设计

瓦斯抽采巷初采钻孔抽采目标是初采期间11＃煤层向上到10＃煤层之间的瓦斯。终孔位置垂高在13～25 m之间，孔径160 mm。瓦斯抽采巷内的初采钻孔共设计有3个，与工作面切眼的水平距离为15 m、22 m、29 m。2126瓦斯抽采巷初采钻孔设计如图2（a）、（b）所示。

1.4 回风巷低位钻孔设计

低位钻孔抽采目标是正常开采期间10＃、11＃煤层和K4石灰岩中的瓦斯。在回风巷距2号钻场20 m布置3号钻场，以后每隔20 m布置一个钻场，每个钻场布置3个钻孔，终孔位置在11＃煤层与10＃煤层之间。除1号和2号钻场外，回风巷其余钻场内的钻孔均为低位钻孔。3号钻场低位钻孔设计如图3所示。

1.5 瓦斯抽采巷高位钻孔设计

高位钻孔主要是通过抽放围岩或采空区瓦斯在上邻近层瓦斯向采空区运移时进行拦截。高位钻孔抽采目标是正常开采期间9＃煤层到8＃煤层之间的瓦斯。终孔位置在9＃煤层上方到8＃煤层之间，在瓦斯抽采巷内距工作面切眼36 m处布置1号钻场，以后每间隔20 m布置1个钻场。每个钻场内布置2个钻孔，孔径为160 mm。高位钻孔设计如图2（a）、（c）所示。

图2 2126瓦斯抽采巷初采及高位钻孔设计图

图3 3号钻场低位钻孔设计图

上述初采钻孔、低位钻孔和高位钻孔控制住了12＃煤层上部所有煤岩层中的瓦斯，使这些瓦斯在受采动影响下行过程中被不同高度的钻孔抽采到地面，保证了工作面生产安全。

2 15＃煤层八采区综采工作面瓦斯治理技术

15＃煤层八采区是南庄煤矿的主采区，工作面开采强度较大，本煤层瓦斯含量低，工作面开采过程中涌出的瓦斯主要来源于上邻近层。瓦斯治理技术有开采解放层和利用高抽巷治理瓦斯两种。

2.1 开采解放层

把12＃煤层作为15＃煤层的解放层先行开采，12＃煤层开采后，12＃煤层及其上部煤岩层中的大量瓦斯得到释放，再开采15＃煤层时瓦斯涌出量就很小了，采用通风稀释和排除瓦斯的方式，就可以治理工作面的瓦斯。综采工作面除布置进风巷和回风巷外，再布置一条内错尾巷。进风巷和回风巷沿煤层底板布置，内错尾巷沿煤层顶板掘进，为半煤岩巷道。内错尾巷的作用是分流采场一部分瓦斯，减轻上隅角和回风巷排放瓦斯的压力。

2.2 利用高抽巷治理15＃煤层瓦斯

如果15＃煤层综采工作面开采时，其上部12＃煤层还没有布置工作面进行开采，则在15＃煤层工作面上部煤岩层中布置高抽巷，利用高抽巷治理15＃煤层工作面瓦斯，巷道设计如图4所示。

图4 高抽巷设计

工作面布置一条进风巷、一条回风巷、一条内错尾巷和一条高抽巷。高抽巷的设计要求是：

（1）高抽巷位于裂隙带内，有裂隙通道与高抽巷连通；

（2）高抽巷伸入采空区应尽量最长，而不冒落，以保证高抽巷有较大的作用范围；

（3）高抽巷应设在卸压充分、瓦斯容易聚集的区域，以保证较高的抽采瓦斯浓度。理论上高抽巷设置在冒落带最大高度线以上裂隙带以内的区域，综合考虑裂隙发育程度、顶板稳定性、高抽巷抽采半径、掘进速度以及成本等多重因素，最终确定高抽巷的位置在12＃煤层，在裂隙带内靠近回风巷一侧，与八采区工作面回风巷的水平距离为50 m。

因导通裂隙并不是切眼开始推进就发育至高抽巷，而是随着工作面推进上覆岩层逐渐垮落、裂隙形成后逐步延伸至高抽巷，因此，高抽巷起作用要滞后工作面开切眼一段距离：

式中：X——高抽巷掘进头距切眼水平距离，m；

h——高抽巷距开切眼的垂距，取45 m；

α——上覆岩层垮落角，取65°。

经计算，高抽巷掘进头距切眼的水平距离为21 m。

2.3 通风与瓦斯抽采设计

（1）瓦斯涌出量与风量。以15＃煤层八采区8818工作面为例，经统计，8818初采期间瓦斯最大涌出量是24.73 m3／min，平均瓦斯涌出量是10.49 m3／min；正常回采期间的最大瓦斯涌出量是6.88 m3／min（风排），平均瓦斯涌出量是3.48 m3／min（风排），瓦斯抽采量是 23.77 m3／min。按正常回采期间的最大瓦斯涌出量配风，剩余的瓦斯通过抽采系统排到地面。通过计算工作面配风量为826.8 m3／min。

（2）初采期间瓦斯抽采。初采期间，工作面推进距离在0～21 m时，由于上部煤岩层中裂隙还没有扩展上升到高抽巷，高抽巷不起作用。但是14＃煤层、13＃煤层以及K2、K3石灰岩中的瓦斯通过裂隙涌入工作面，会造成瓦斯超限，因此，针对初采瓦斯进行了抽采设计。在15＃煤层八采区工作面切巷内（靠近回风侧）向高抽巷方向打5个钻孔，钻孔与高抽巷连通，钻孔直径为200mm，在高抽巷负压作用下，初采瓦斯沿钻孔上行进入高抽巷内，经瓦斯抽采管抽出到地面，如图4（b）所示。

（3）初采结束后瓦斯抽采。初采结束后，高抽巷与工作面之间已有裂隙导通，利用高抽巷抽采瓦斯。高抽巷抽采量大，瓦斯浓度高，抽采效果非常好。

3 实施效果

实践证明，上述瓦斯治理技术治理瓦斯效果明显，不仅杜绝了工作面瓦斯超限，还增加了瓦斯抽采量，保证了煤矿生产安全。项目实施前矿井瓦斯年抽采量为2656万m3，项目实施后第一年年矿井瓦斯抽采量为2810万m3，第二年年矿井瓦斯抽采量为3631万m3，共计增加抽采瓦斯量1129万m3，平均年增量564.5万m3，平均每年增加效益254万元。

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