阜生矿1102工作面瓦斯综合防治措施应用研究

葛国锋

(山西潞安集团 左权阜生煤业有限公司，山西 左权 032600)



·试验研究·

阜生矿1102工作面瓦斯综合防治措施应用研究

葛国锋

(山西潞安集团 左权阜生煤业有限公司，山西 左权 032600)

为了解决高瓦斯突出煤层开采中的瓦斯问题，以阜生矿1102工作面为例，通过分析煤层瓦斯赋存特点和1102工作面瓦斯涌出特征，得出正常回采期间1102工作面相对瓦斯涌出量为7.59 m3/t，绝对瓦斯涌出量为18.45 m3/min. 针对瓦斯涌出状况，设计采用了顺层钻孔抽采、高抽巷抽采、采空区预埋管抽采、回风巷钻场穿层钻孔和封闭采空区抽采相结合的综合抽采方法。对抽采措施进行效果检验，结果表明，综合措施的采用使回采工作面瓦斯得到了有效控制，解决了高瓦斯突出煤层开采的瓦斯治理问题。

瓦斯防治；瓦斯涌出量预测；抽采措施；抽采效果

山西省突出矿井、高瓦斯矿井众多，且多数矿井属于高瓦斯突出近距离煤层群开采。随着开采深度的增加，各煤层瓦斯含量随之增大，瓦斯治理难度也逐渐增大，严重影响了综合机械化采煤方法的应用和煤矿企业安全、高效生产。为了保障煤矿的安全、高效和可持续发展，需要加大瓦斯综合治理力度，据国家相关规定[1, 2]，突出煤层必须进行区域预抽消突，高瓦斯矿井煤层瓦斯抽采率应满足《煤矿瓦斯抽采基本指标》要求。阜生煤矿开采15#煤层时，采用“顺层钻孔抽采”、“高抽巷抽采”、“采空区预埋管抽采”、“回风巷钻场穿层钻孔”和“封闭采空区抽采”相结合的综合抽采方法，有效解决了1102回采工作面的突出及瓦斯超限问题[3-8].

1 研究区地质概况

1.1 构造特征

井田位于1102工作面总体上东、西部地层，倾角较大，中部局部地层倾角较平缓。预计巷道掘进过程中，巷道坡度最小约3°，最大约20°.

井田内及周边未发现岩浆岩侵入，据已有地质资料分析，1102回风巷掘进至约134.7 m时巷道左帮将会受到X11陷落柱影响，该陷落柱长轴长约64 m，短轴长约62 m，受影响的巷道长度约19.5 m.

1.2 煤层特征

该区15#煤层俗称“丈八煤”，位于太原组下段中下部，上距K2灰岩5.97～12.03 m， 下距太原组底界K1砂岩5.85 m，根据该巷道相邻巷道1101运输顺槽地质资料分析，该巷道煤层平均厚度6.5 m. 煤层层位极其稳定，全井田分布广泛，在井田内所有钻孔中均见此煤层，可采系数100%，是本井田的主要可采煤层。15#煤层结构较简单，含夹矸0～3层，一般为1层，单层夹矸最大厚度可达0.37 m. 煤层顶板为砂质泥岩、泥岩，局部为粉砂岩，底板一般为泥岩。

1.3 瓦斯特征

该区15#煤层瓦斯含量介于6.68～10.73 m3/t，平均为8.82 m3/t，瓦斯含量较低。通过对影响瓦斯含量的主要因素进行分析，埋深对瓦斯含量影响较大，随着煤层埋深的增大，瓦斯含量线性增大。根据研究区煤层埋深分布情况，井田内的15#煤层瓦斯含量由东南部向西北部逐渐增高，一采区最大瓦斯含量均分布在采区西北部，二采区最大瓦斯含量均分布在西北部井田边界附近。同时，采用间接法对15#煤层瓦斯压力进行了计算，结果显示该煤层瓦斯压力最大值为0.44 MPa.

2 工作面瓦斯综合防治措施应用

2.1 工作面瓦斯涌出特征分析

1102回采工作面瓦斯来源主要由开采层瓦斯涌出和邻近层(包括围岩)瓦斯涌出两部分组成。根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》(AQ1018-2006)，采用式(1)进行瓦斯涌出量预测计算：

(1)

式中：

q采—回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；

q1—开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；

q2—邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t.

1) 开采层瓦斯涌出量计算。

厚煤层不分层开采时，回采工作面开采层的瓦斯涌出量计算公式为：

(2)

式中：

k1—围岩瓦斯涌出系数，矿井顶板管理方式为全部跨落法管理顶板，取1.3；

k2—工作面丢煤瓦斯涌出系数，据回采率为93%，取1.08；

k3—准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数；利用长壁后退式回采时，系数k3按式(3)确定：

(3)

式中：

L—回采工作面长度，m，1102工作面取大值150；

h—巷道瓦斯预排等值宽度，m，1102工作面取12.4；

m—开采层厚度，m，取6.0；

M—工作面采高，m，取6.0；

W0—开采煤层原始瓦斯含量。1102工作面与1101工作面相邻，瓦斯含量比较接近，1101工作面实测瓦斯含量最大5.66 m3/t(位于1101回风巷650 m处)，因此1102工作面最大瓦斯含量取6 m3/t；

Wc—开采煤层煤的残存瓦斯含量，m3/t，取3.8.

代入公式(2)，得1102工作面本煤层相对瓦斯涌出量为2.58 m3/t.

2) 邻近层瓦斯涌出量计算。

根据中煤科工集团沈阳研究院为阜生煤业编制的《矿井瓦斯涌出量预测研究报告》，经统计分析，该矿回采工作面瓦斯涌出构成开采层约占34%，邻近层约占66%. 因此，邻近层瓦斯涌出量为：

(4)

式中：

q2—邻近层瓦斯涌出量，m3/t；

q1—开采煤瓦斯涌出量，m3/t.

将数据代入公式(4)，得1102工作面邻近层相对瓦斯涌出量为5.01 m3/t.

根据矿井工作面布置规划：1102平均日产量为3 500 t. 结合工作面瓦斯涌出量计算结果，得出矿井生产时回采工作面的瓦斯涌出量预测结果，见表1.

表1 15#煤层工作面瓦斯涌出量预测结果表

从表1可以看出，正常回采期间1102工作面相对瓦斯涌出量为7.59 m3/t，绝对瓦斯涌出量为18.45 m3/min.

2.2 工作面瓦斯综合防治措施

1102回采面采用“顺层钻孔抽采“、“高抽巷抽采”、“采空区预埋管抽采”、“回风巷钻场穿层钻孔”和“封闭采空区抽采”相结合的综合抽采方法。

2.2.1 顺层钻孔设计

1) 1102回风巷、回风巷钻孔设计。

根据《设计说明书》，结合1102工作面巷道布置情况，决定分别由1102回风巷、运输巷施工顺层平行钻孔进行采前预抽和边采边抽。

a) 回风巷钻孔布置参数见表2.

表2 1102回风巷钻孔参数表

b) 运输巷钻孔布置参数见表3.

表3 1102运输巷钻孔参数表

施工过程中应根据施工地点煤层倾角变化及时调整钻孔倾角，确保钻孔沿煤层施工。在施工过程中，如果地质条件复杂，起伏变化太大无法掌握合适的施工角度时，应调整角度使钻孔实际深度尽可能达到设计长度的70%以上。

2) 1102切眼钻孔设计。

根据潞安集团《高瓦斯矿井采掘工作面特别管理规定》：“工作面切眼煤壁要施工间距≤2 m、长度≥60 m、孔径≥94 mm的瓦斯抽采钻孔并网预抽，预抽时间≥3个月”。切眼钻孔参数见表4.

表4 1102切眼钻孔参数表

抽放钻孔施工必须按设计的方位角等参数进行，若煤层起伏变化较大时，钻孔倾角应根据煤层变化情况及时调整，以提高成孔率，同时要作好钻孔进尺及相关参数的记录，并将钻孔编号牌上的参数按照实际进行填写。

2.2.2 高抽巷抽采设计

据1102工作面设计平、剖、断面图，1102高抽巷全长936.462 m. 其中，0～86.823 m段断面为3.5 m×3 m，采用锚杆+锚索+钢筋梯梁+金属网联合支护；86.823～936.462 m段断面为2.5 m×2.5 m，采用锚杆+金属网联合支护。1102高抽巷掘进方位角122°，从一采区胶带巷内开口后先下穿一采区回风巷掘进90.218 m，然后以+15°向上掘进167.155 m后达到距15#煤层顶板20 m的砂质泥岩层中，并以砂质泥岩顶板为巷道顶板向前掘进，至巷道底板标高为+1 167.1 m时以平巷掘进，直至与1102切眼贯通。

如上所述，在回采范围内1102高抽巷在15#煤层顶板以上约20 m，与回风巷的水平距离为50 m.

高抽巷施工完成后，在巷口建3道密闭墙，并插入管路进行抽采，1102高抽巷封闭方案示意图见图1.

图1 1102高抽巷封闭方案示意图

2.2.3 回风巷钻场穿层钻孔设计

该方法对采空区冒落带内的瓦斯有较好的抽采效果，能在采空区瓦斯未进入上隅角区域前进行拦截，减轻上隅角瓦斯治理负担。

根据《设计说明书》，回风巷掘进时在切眼侧巷帮施工钻场，钻场间距40 m(17#钻场距切眼60 m)，钻场尺寸为深4 m×宽4.5 m×高3.5 m，通风为扩散通风。在钻场内向采空区冒落带上方施工钻孔，使孔底处于冒落带的上方，使其处于高浓度带内，捕获冒落破坏带的瓦斯。根据1101工作面穿层钻孔施工经验，15#煤上部有一层黄土层，钻孔终孔应控制在该黄土层以下，即煤层顶板以上13 m. 设计每个钻场施工5个上向钻孔抽采采空区瓦斯，钻孔控制范围为回风巷侧水平距离50 m左右。1102工作面可采长度为680 m，则回风巷共需施工17个钻场，穿层钻孔总长度为5 040.5 m.

2.2.4 采空区预埋管抽采设计

矿井采空区采用预埋管法进行抽采，即将抽采管在顶板冒落之前直接预埋或砌筑于采空区内对采空区瓦斯进行抽采。1102工作面采用U型通风，采空区的瓦斯在风压作用下易在回风侧(上隅角)积聚，采用采空区埋管(为了取得较好的抽采效果，应尽量使抽采口处于煤层顶部浓度较高的区域内)，可将采空区大量瓦斯抽出，减小瓦斯涌向工作面，避免上隅角瓦斯超限。由于该矿15#为自燃煤层，在进行采空区抽采时，应合理控制抽采负压。采空区预埋管抽采设计示意图见图2.

图2 采空区预埋管抽采设计示意图

2.2.5 封闭采空区抽采设计

1102工作面结采后，回风顺槽永久密闭施工时，将一根d400 mm瓦斯管插入密闭内采空区10 m，对采空区瓦斯进行抽采。

由于采空区密封性较差，瓦斯浓度不会太高，并且波动很大，为确保整个抽采系统的瓦斯不低于安全浓度以下，所以插管与主管连接处必须设阀门，节流孔板和浓度检测口，以便于及时检测抽出的瓦斯浓度、流量。封闭采空区抽采设计图见图3.

图3 封闭采空区抽采设计图

2.3 抽采效果检验

2.3.1 封闭采空区抽采设计工作面瓦斯抽采量

根据《煤矿瓦斯抽采基本指标》(AQ1026-2006)，突出煤层工作面采掘作业前必须将控制范围内的瓦斯含量降到煤层始突深度的瓦斯含量以下或降到8 m3/t以下；采煤工作面日产量2 501～4 000 t时回采前煤的可解吸瓦斯量应≤6 m3/t，根据集团公司要求回采前煤的可解吸瓦斯量应≤4 m3/t. 同时根据《防治煤与瓦斯突出规定》，突出矿井突出煤层回采前必须对煤层进行预抽，将煤层瓦斯含量降到8 m3/t以下。

2.3.2 回采工作面瓦斯抽采量计算

1) 本煤层瓦斯预抽量计算。

根据《设计说明书》，单孔瓦斯抽采量取0.033 2 m3/min，则1102工作面顺层孔预抽量为：

W1102=0.033 2×(138+137)=9.13 m3/min

2) 预抽后工作面瓦斯含量。

1102工作面最大瓦斯含量为6 m3/t，回采工作面顺层孔预抽量9.13 m3/min，预抽期暂定90天，则工作面瓦斯抽采量为：9.13×90×1 440=1 183 248 m3. 1102工作面瓦斯储量为：150×680×6.0×1.35×6=4 957 200 m3. 则经过顺层孔预抽后吨煤钻孔量降为：(4 957 200-1 183 248)/[150×680×6.0×1.35]=4.57 m3/t. 预抽后煤层瓦斯含量小于8.0 m3/t，满足规定要求。

3) 预抽后工作面可解吸瓦斯量。

(5)

式中：

Wj—煤的可解吸瓦斯量，m3/t；

Wg—抽采后煤的瓦斯量含量，m3/t；

Wc—煤的残存瓦斯含量，m3/t，取3.8.

经计算，抽采后工作面可解吸瓦斯量为：1102工作面Wj=4.57 -3.8=0.77 m3/t<4.0 m3/t，满足《煤矿瓦斯抽采基本指标》的规定及集团公司要求。

4) 本煤层边采边抽量计算。

工作面开始回采后，随着工作面的推进，工作面后方顺层钻孔报废，而在工作面前方未破坏的顺层钻孔仍然继续起着作用，经过回采前煤层的预抽，煤层瓦斯含量降低，根据邻近矿区抽采经验，采用本煤层顺层钻孔抽采，边采边抽瓦斯量预计为预抽量的30%～40%，本设计取35%来计算。

通过计算，1102工作面边抽边采量为3.20 m3/min；工作面瓦斯抽采量(预抽与边抽边采合计)为：12.33 m3/min.

5) 邻近层瓦斯抽采量计算。

1102工作面邻近层瓦斯涌出量为12.18 m3/min，高抽巷瓦斯抽采率按照《设计说明书》取80%，则高抽巷对邻近层的瓦斯抽采量为9.744 m3/min.

6) 采空区瓦斯抽采量计算。

《设计说明书》预测，一采区回采工作面采空区瓦斯涌出量为12.59 m3/min，预计采空区瓦斯抽采量为3.78 m3/min.

7) 工作面通风能力验证。

1102工作面瓦斯涌出量为18.45 m3/min，抽采量为12.33 m3/min，抽采后需要风排瓦斯量为6.12 m3/min，15#煤回采工作面设计风量为2 400～3 000 m3/min，回采工作面风排瓦斯能力：q=3 000×0.8%/1.2=20 m3/min，回采工作面通风能力能满足生产要求。

3 结 论

通过分析阜生矿1102工作面瓦斯来源，掌握了1102工作面瓦斯涌出特征，分析表明正常回采期间1102工作面相对瓦斯涌出量为7.59 m3/t，绝对瓦斯涌出量为18.45 m3/min. 针对该工作面瓦斯涌出状况，设计采用了“顺层钻孔抽采、高抽巷抽采、采空区预埋管抽采、回风巷钻场穿层钻孔和封闭采空区抽采”相结合的综合抽采方法。对抽采措施进行效果检验，结果表明，预抽后工作面瓦斯含量降至4.57 m3/t，降到8 m3/t以下，满足规定要求。综合措施的采用使回采工作面瓦斯得到了有效控制，解决了高瓦斯突出煤层开采的瓦斯治理问题。

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Application and Research on Comprehensive Control Measures for Gas in Fusheng Coal Mine 1102 Working Face

GE Guofeng

In order to solve the problem of gas in the process of high gas outburst coal seam mining, taking 1102 working face of Fusheng coal seam as an example, the gas emission characteristic of 1102 working face is analyzed. The analysis shows that the relative gas emission quantity is 7.59 m3/t, the absolute gas emission quantity is 18.45 m3/min in the normal recovery process of 1102 working face. According to the situation of gas emission, the methods of bedding drilling drainage, high gas drainage roadway drainage, gob pipe drainage, air return roadway drilling field borehole and closed goaf drainage integrated drainage are adopted. The effect of drainage measures are inspected, the results show that the comprehensive measures can effectively control the gas in the working face and solve the problem of gas control in the mining of high gas outburst coal seam.

Gas prevention; Predicting gas emission quantity; Extraction measures; Extraction effect

2017-03-22

葛国锋(1991—)，男，河南新蔡人，2012年毕业于河南理工大学，助理工程师，主要从事煤矿瓦斯治理工作

(E-mail)13838910327@163.com

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1672-0652(2017)05-0011-05