高瓦斯矿井大采高综采工作面综合抽采技术研究

贾 君

高瓦斯矿井大采高综采工作面综合抽采技术研究

贾 君

(山西焦煤霍州谭坪煤电有限责任有限公司，山西 临汾市 031400)

为有效解决谭坪高瓦斯矿井大采高综采工作面瓦斯抽采困难、瓦斯超限等问题，结合谭坪矿的矿山工程实际以及微震技术，通过工作面采动影响下裂隙发育演化过程的分析，提出了瓦斯沿顶板分带、卸压分区聚集的运移规律分析模型。并进一步结合运移规律分析，提出了有效解决该矿瓦斯抽放难题的综合抽采技术方法。经工业试验检验，该工作面实测瓦斯纯量最大为8.19 m3/min，瓦斯浓度最大为37.64%，能满足规程中的安全生产要求。

高瓦斯矿井;大采高;综采工作面;综合抽采

随着煤矿逐渐走向机械化、自动化，大采高综采工作面由于其推进速度快、安全性好以及能满足产量需求等诸多优势，成为煤矿工作面开采方式发展的必然趋势[1-3]。但伴随着产量的增大、采高的加大，同时也给工作面开采带来了更大的瓦斯涌出隐患，传统的通风和单一的瓦斯抽采方法往往无法有效解决此类矿山的瓦斯治理难题。特别是当工作面受到采动影响时，其采场内的裂隙受震动及其他因素的影响，将得到进一步的发育，改变瓦斯原有的运移规律，导致从岩体内得以析出，并形成积聚，为工作面开采带来隐患。因此，结合矿山实际地质概况，尝试从分析岩层破坏入手，分析得出瓦斯运移规律，并结合瓦斯的运移特性，“因地制宜”地提出瓦斯抽采策略[4-5]，对于有效解决高瓦斯矿井内的瓦斯治理问题具有极为重要的现实意义，同时也能为其他类似矿山提供一定的理论指导和技术 借鉴。

1 谭坪1#矿地质概况

谭坪1#矿主采煤层为2#、3#、10#，其中2#煤属于中灰分、特低硫、低磷、特高热值贫煤，厚度3.05～7.15 m，平均厚度为5.33 m，为全区稳定可采煤层；3#煤层属中灰、中硫、低磷、高热值贫煤，为可采性较差的局部可采煤层，厚度0.35～1.35 m，平均厚度0.95 m；2#、3#煤层间距1.5～4.2 m，平均2.1 m，埋深690～1100 m，煤层为近水平煤层，覆存底板等高线标高为+340～−420 m；10#煤层厚度0～4.7 m，平均厚度2.1 m，为中高硫煤，全区突水系数大于0.1 MPa/m。井下布置一个生产盘区，以一个大采高综采工作面保证该矿4.0 Mt/a的产量，配备5个综掘工作面，采掘比为1:5，采用倾斜长臂采煤法，大采高一次采全高综采采煤工艺。根据《瓦斯涌出量预测报告》，该矿最大绝对瓦斯涌出量为301.93 m3/min，最大相对瓦斯涌出量为35.87 m3/t，属于典型的高瓦斯矿井。

2 综采工作面瓦斯运移规律研究

在综采工作面，瓦斯运移存在一定的规律性，且这种规律性明显受制于工作面的采动卸压过 程[6]。通常，在随综采工作面回采任务进行过程中，顶板将首先经历初次垮落，随后呈现周期性的垮落。在上述垮落过程中，顶板上覆岩层将首先表现出弯曲下沉，顶板开始出现破碎、离层状态，并逐渐形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，顶板完整性逐渐开始破坏，顶板裂隙开始逐渐发育，以致于最终完全垮落。因此，从这个过程来看，顶板垮落的整个过程均与工作面的回采推进有关。为进一步说明，随采动卸压过程上覆顶板岩层的碎裂过程，利用微震技术[7]来揭示采场内的围岩空间破裂形态，其中该综采工作面的微震检测效果如图1所示。结合图1结果，考虑破裂密度曲线形态，确定出该综采工作面高、低位破裂带高度分别在75~100 m、40~70 m范围。

图1 微震监测结果

在确定高、低位碎裂带范围后，这些裂隙的发育状况将直接影响瓦斯的析出情况，从而影响瓦斯的运移状态。故在前述碎裂带范围分析的基础上，沿采空区横、纵两个方向对开采层位上的瓦斯析出分布区域又进行了分类，分类结果如图2所示。

图2 高卸压瓦斯分布

（1）底鼓变形带：结合层位关系判别，其内部裂隙随采动形成，沿层位节理展开，多以顺层张裂隙存在，对瓦斯有一定吸附作用，但当卸压载荷过大时，极易出现层间空隙变大，吸附能力消失而释放瓦斯；

（2）直接顶冒落带：在采面直接顶附近位置形成，与采空区直邻或易与漏风带直接相通，是瓦斯抽采任务中最难处理的位置；

（3）富集区裂隙带：该区域与采空区贯通，是整个工作面瓦斯聚集的最佳位置，该区域小裂隙吸附瓦斯能力极强，而当小裂隙逐渐演化为大型裂隙构造时，此处富集区存在瓦斯积聚隐患，因此，是综合抽采重点治理的核心区域。

（4）弯曲下沉带：弯曲下沉区域往往距离煤层层位较远，相比于直接顶等富集区域，其属于低卸压瓦斯区，该层位虽有裂隙，但此部分裂隙只参与顶板变形，瓦斯积聚和吸附极少会穿越上覆岩层，故含量少，抽采率也是整个采面中最低的。

上述顶板分带及瓦斯分布区域的确定，主要是解决Z方向上瓦斯流的运移规律，同样的，在X-Y平面方向上，瓦斯流也存在明显的富集现象，其富集状态可采用图3进行近似描述，其基本运移规律是由采运侧向回风侧聚集。

图3 瓦斯流富集规律

3 谭坪矿综采工作面综合抽采设计

结合上述瓦斯运移和富集规律，同时考虑谭坪矿瓦斯抽采的切实需求，在兼顾采动卸压的影响作用下，充分利用瓦斯抽采技术中的“卸压增渗”原理，尝试在瓦斯积聚以及瓦斯积聚隐患区域积极布置和增强抽采工程，重点在煤层、上覆岩层以及裂隙带3大区域设置抽采钻孔。

3.1 煤层抽采方案设计

为保证增加煤层渗透面积，提高瓦斯采出率，抽采方案在距煤层切眼35 m位置开始设计钻孔，其中钻孔为切斜均匀孔，其布置形式如图4所示，两侧错位孔距3.5 m，单排空隙间距3.2 m，钻孔长度148 m，方位角为75°和82°，抽采钻孔孔径为113 mm，抽采侧负压为24~37 kPa。

图4 煤层抽采钻孔布置形式

由于煤层牵扯采动效应，导致其采前和采后的抽采操作存在一定的差异，为清楚描述抽采操作流程，从采前、采中以及采后3个阶段分述抽采方案中的抽放流程。

（1）采前抽放。在布置好抽放钻孔后，首先在煤层区域进行区域预抽，其目的在于降低煤层中的吸附瓦斯含量，以保证后续采煤、掘进作业具有安全保证。

（2）采中抽放。采中抽采主要考虑该面在采煤作业时，常出现上隅角瓦斯积聚问题，因此，其抽采操作应集中于上隅角附近，必要时可以考虑在上隅角钻孔处敷设一组抽采管路，以降低采面瓦斯涌出量。

（3）采后抽放。主要是针对采煤工作面作业结束后，除完成各高、低位钻孔抽放任务以外，应及时将预留抽采管路，连接至采空区内的主抽放管路，从而降低工作面墙壁出现瓦斯涌出事故。

3.2 上覆岩层及裂隙带抽采方案设计

由顶板分带与瓦斯分布区域分析可知，顶板各分带多处于高卸压瓦斯区，同时有效解决此高卸压瓦斯区内的瓦斯积聚问题也是实现合理化抽采方案设计的关键。为此，在顶板附近裂隙带设置抽采倾斜钻孔，孔距1.2 m，钻孔长度87~115 m，具体的布置形式如图5所示。按照煤层钻孔的平面孔位就行分组，在岩层层位每组设置5组钻孔，孔口采用聚氨酯封孔，孔径在75 mm左右。

图5 上覆岩层及破碎带钻孔布置形式

4 综合抽采实施效果及评价

2018年5月12到2018年7月20日期间，针对该矿2701综采工作面进行瓦斯抽采的工业性实验，并实测瓦斯抽采纯量和抽采浓度变化状况。为进一步说明抽采效果，对5月15日~7月15日的岩层钻场内的瓦斯抽采检测数据进行了统计，其统计结果见图6。

对比图6中的数据可知，瓦斯抽采纯量呈现逐渐增大−减小−再增大的一个过程，浓度也随纯量呈现出波动变化的状态，在这累计的62 d中，瓦斯抽采纯量以及抽采浓度一直处于一个平稳的状态，仅在6月中旬出现过一次阶段性的抽采高峰，这与矿山实际生产中偶遇地质构造有关。结合统计结果，该矿瓦斯抽采最大纯量为8.19 m3/min，瓦斯浓度最大37.64%，对比《煤矿瓦斯抽采评价暂行规定》，各项指标可满足安全生产的切实要求。因此，综合上述分析，文中所采用的顶板分带以及岩层松碎区域的分析方法可有效解决分析抽采问题，同时设计的抽采方案有效解决了谭坪矿的瓦斯抽采困难 问题。

图6 瓦斯监测数据

5 结 论

高瓦斯矿井大采高综采工作面常存在瓦斯抽采困难、且具有瓦斯超限风险等现实问题，文中结合微震技术从顶板破碎演化分析入手，提出了兼顾工作面采动影响的瓦斯积聚及运移规律模型，并进一步提出了改善谭坪矿瓦斯抽采设计的有效方案。工业实验论证了上述方法切实有效，能为该矿安全生产提供有力的保障。同时，此类方法也为相似类型矿山的瓦斯抽采任务提供了有益参考。

[1] 刘慧志.某煤层瓦斯抽放方法与实践研[D].山西:中北大学,2013.

[2] 方 亮.煤矿瓦斯综合抽采技术研究及设计[J].科技经济导刊,2016(21):61-62.

[3] 安朝峰.高位巷道瓦斯抽采对煤自燃三带分布影响研究[J].陕西煤炭,2019,38(02):25-27+31.

[4] 李 杰.特厚煤层综放工作面地面钻孔抽采治理瓦斯技术[J].煤炭科学技术,2019,47(03):150-155.

[5] 陈 赟.综放工作面瓦斯涌出特点及应对措施研究[J].煤矿现代化,2019(03):57-59+62.

[6] 王 亮.不同层位参数下高抽巷瓦斯抽采效果研究[J].能源与环保,2019,41(03):33-35+59.

[7] 杨永杰,陈绍杰,张兴民,等.煤矿采场覆岩破坏的微地震监测预报研究[J].岩土力学,2007(07):1407-1410.

(2019-04-18)

贾 君(1987—)，男，山西临汾人，助理工程师，主要从事矿山开采设计、通风及瓦斯抽采等工作，Email: 2859618702@qq.com。