高瓦斯矿井综放工作面综合抽采优化研究

侯程宇

(吕梁市煤矿通风与瓦斯防治中心，山西 033000)

1 生产地质条件

某矿矿井绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量分别为280.04m3/min和20.66m3/min，属于高瓦斯矿井。主采3号煤层平均厚度6.31m，直接顶为泥岩，基本顶为细砂岩，层厚10.21～11.34m。工作面采用综采放顶煤工艺，采用并列双“U”型通风，工作面面长280m，工作面采放比1:1.03。

2 采动卸压瓦斯运移规律研究

采用UDEC软件建立厚煤层开采采场模型，模型尺寸长×高=300×100m，运算得到如图1所示采场覆岩运移特征。

图1 采场覆岩运移特征

对图1分析，随工作面回采，顶板先后出现初次和周期垮落。当推进120m时，采空区顶板岩层充分垮落，最大位移达到4.5m，模型顶部岩层出现明显弯曲下沉；从煤层顶板往上可以划分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，顶板岩层发生破断垮落，完整性被破坏，裂隙显著发育。

对图2分析，回采初期直接顶出现垮落下沉，裂隙大量发育、裂隙度迅速增大；继续推进，后方采空区垮落岩层逐渐被压实，裂隙闭合，而采动影响向高位岩层扩展，使得整体裂隙度降低；工作面推进120m时，工作面经过多个初次和周期来压，采场充分垮落，裂隙发展至最高岩层，在工作面上方和开切眼形成裂隙高度发育区。

图2 随推进裂隙发育变化

15号煤层回采时，在煤层顶底板中将发生不同程度的破坏和变形，工作面上部覆岩依次形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，工作面下部依次形成底板底鼓裂隙带和底板底鼓变形带，距离开采层越近裂隙发育越充分，解析出的瓦斯量越大。图3为垂直工作面方向顶板分带与瓦斯分布图。

图3 顶板分带与瓦斯分布图

(1)底鼓变形带H1：带内裂隙以沿层理形成的顺层张裂隙为主，处于该带的邻近煤层发生膨胀变形，吸附瓦斯解吸的裂隙内，裂隙随层间距加大逐渐减少。

(2)底鼓裂隙带H2：穿层裂隙将该带内的煤层与采空区导通，煤层卸压解析瓦斯可沿穿层裂隙进入15号煤层采空区，瓦斯涌入采空区的阻力随深度的增加逐渐加大。

(3)冒落带H3：由直接顶冒落形成，与采空区的漏风带直接相通，难以采用钻孔抽采冒落带瓦斯。

(4)裂隙带H4：是抽采采空区上顶板瓦斯富集区域的最佳位置，而小裂隙带的抽采效果要好于大裂隙带，钻孔位置处于裂隙带中部时的抽采效果最好，层位为H=H3+1/2H4。

(5)弯曲下沉带H5：由于弯曲下沉带距离开采煤层的距离较远卸压程度较低，岩层间穿层裂隙较少，沿层裂隙发育，故沿穿层裂隙到达此区域的瓦斯较少，瓦斯抽采率较低。

图4 工作面瓦斯流场

3 工作面瓦斯高效抽采设计

根据采动覆岩运移和瓦斯积聚规律，提出煤层抽采的技术路径：首先，增大瓦斯抽采管路的长度，保证覆盖裂隙带，增大抽采钻孔覆盖的长度和高度(图4)，满足抽采的空间条件。由此，优化抽采钻孔布置角度、长度，满足不同瓦斯积聚位置对抽采的要求，增大抽采覆盖范围。

其次，抽采匹配回采矿压显现和岩层垮落运移规律，充分利用“卸压增渗”机理，在瓦斯积聚区域和积聚过程中积极布置、强化抽采活动。在回采卸压区和低应力区布置钻孔，充分抽采瓦斯。

3.1 本煤层抽采设计

在距切眼20m处开始布置抽采钻孔，分别由回风顺槽和胶带顺槽向工作面钻取，见图5。钻孔间距2.5m，钻孔长度160m，方位角85°和90°，孔径113mm，抽采负压29～31kPa。

图5 本煤层钻孔布置

3.2 裂隙带抽采钻孔布置

可知开采覆岩中裂隙带、冒落带高度分别为41.4～60.2m和25.3m，考虑钻孔位置处于裂隙带中部时的抽采效果最好，确定钻孔布置在煤层顶板上方45～55m范围，见图6。

图6 裂隙带钻孔布置

钻孔间距0.5m，钻孔投影长度为94～116m，抽采负压12～23kPa。使用聚胺脂封孔，封孔深度为8～10m，每10个钻孔为1组，每组钻孔使用φ75mm的PE管、φ75mm铠装管(或高压管)等联入工作面抽放系统，每组安设一孔板计量装置、集气装置和1个气门。

4 工作面瓦斯抽采实测效果分析

2017年10月4日至2017年11月28日期间，3101工作面进行了瓦斯抽采的工业性试验，实测得到如图7所示瓦斯变化。

图7 瓦斯抽采效果实测

对距切眼约200m处的18号钻场瓦斯抽采情况监测，得到如图7所示瓦斯抽采效果。抽采瓦斯纯量呈增大-减小-增大变化，瓦斯浓度则逐渐增加。总计38天的有效抽采时间内抽采瓦斯总量达到1.51×105m3，抽采瓦斯纯量最大为6.15m3/min，抽采瓦斯浓度最大为49.9%，平均值分别为2.42m3/min、22.8%。