煤矿瓦斯防治技术及实践应用

王木森

(阳泉市上社二景煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045100)

引 言

我国煤炭的储量在全球范围内排名靠前，而且大部分煤层埋藏于地下。瓦斯作为煤炭地下工作面开采是的主要危险源之一，若处理不当严重威胁着综采工作面的生产安全和作业人员的人身安全，进而制约着煤炭的开采效率。经统计表明，我国每年由于瓦斯所导致的煤矿工事故的发生案例最多，且事故损失最严重。因此，在实际生产中采取一定的防治措施以确保瓦斯不会导致更严重过事故的发生。通常情况下，常采用合理、有效的通风方案实现对工作面瓦斯的稀释甚至消除[1]。本文将对当前煤矿的瓦斯防止技术进行研究，并在对某项技术的实践应用进行分析。

1 工程概况

以某矿某个工作面为研究对象，该工作面的走向长度约为3.7 km，倾斜宽度约为1.2 km。工作面可采煤层共有9层，且开采煤层的总厚度为12 m。而且，在可采煤层中共有4个煤层的煤种为焦煤。各个煤层的顶底板情况、煤层厚度以及煤间距参数，如表1所示：

该工作面的倾角范围为8°～10°，平均倾角为9°。经探测可知，工作面目前落差大于8 m的断面共有5条，第一条和第二条断层的落差均大于30 m。其中，第一条段层延伸长度为12.5 km，第二条断层的延伸长度为11 km。经对工作面瓦斯情况测量可知：工作面的瓦斯的相对涌出量为72.41 m3/t，绝对涌出量为62.87 m3/min;二氧化碳的相对涌出量为3.52 m3/t，绝对涌出量为3.06 m3/min。目前，工作面采用中央并列式的通风方式，且通风机数量为2台，每台通风机的功率为30 kW，风量为1 500 m3/min。

表1 工作面可采煤层特征参数

经对工作面瓦斯储藏规律进行分析可知：工作面瓦斯含量最大的煤层为11#煤层，最小瓦斯含量为9#煤层；9#和11#煤层瓦斯的压力及其含量均随着其煤层厚度的增加而增加，但是其相关性较差。总之，该工作面煤层的瓦斯突出危险性较高，其治理难度较大。

2 瓦斯防治技术研究

从对该煤矿工作面的工程概况研究的基础上可知煤层存在较大瓦斯突出风险，且其治理难度较大[2]。因此，需更加重视对该工作面瓦斯的防范和治理。

2.1 煤层开采顺序的确定

在实际生产中可通过开采保护层的方式得到区域性放瓦斯突出的事故发生。开采保护层放瓦斯突出的原理，如图1所示。

图1 开采保护层防瓦斯突出原理图

该工作面共包含有9个可开采煤层，且尤其以2#、4#、7#以及9#、11#煤层瓦斯突出的危险系数最高。因此，需对这5个煤层的开采顺序进行重新评估[3]。

经对上述工作面五个煤层的瓦斯含量及压力分析可得：2#和4#煤层的突出危险系数明显大于其余3个煤层。因此，不宜将2#和4#煤层先于7#、9#、11#煤层开采。而且，就目前工作面发生瓦斯突出事故的情况来看，其均发生在11#煤层。因此，11#层也不宜作为保护层先行开采。经上述分析，工作面仅剩7#和9#煤层可作为保护层先行开采。而且，综合分析工作面抽采钻孔工作量和瓦斯抽采难度，确定9#煤层为保护层先行开采。

通过对工作面各个煤层可开采情况的分析可知：整个工作面中可全部开采的煤层为2#、9#以及11#；可大部分开采的煤层为7#；可局部开采的煤层为4#和5#；剩余煤层几乎不可开采。因此，确定9#煤层先行开采后，可从2#、7#以及11#煤层中确定一个接续开采煤层。综合考虑工作面揭煤的安全风险和可持续开采的因素，确定11#煤层为9#煤层的接续开采煤层。

根据上述思路最终确定瓦斯突出概率最小的开采顺序为：9#煤层→11#煤层→2#煤层→7#煤层→4#煤层。

2.2 预抽煤层瓦斯

由于9#煤层属于瓦斯突出概率最高、危险性最高的煤层。因此，当9#煤层作为保护层先行开采时需采取相应的区域防瓦斯突出措施[4]。预抽煤层瓦斯为区域防突的措施之一，其原理如图2所示。

图2 预抽煤层瓦斯防突出危险原理图

目前，可应用于煤层瓦斯的预抽方式有顶底板瓦斯巷穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯和迈步式顺层长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。结合当前煤矿的煤层赋存情况和顺层钻孔的施工能力，针对9#煤层采用顶底板瓦斯巷穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯的预抽方式。

3 瓦斯防治技术的应用

3.1 瓦斯防治方案的设计

为了达到有效防止瓦斯的效果，需对煤层采用顺层钻孔抽放和瓦斯尾巷抽放的综合治理技术[5]。

针对顺层钻孔技术实现对煤层瓦斯的抽取采用，如图3所示的钻孔布置示意图。

图3 顺层钻孔技术下钻孔布置示意图

如图3所示，钻孔的间距为2 m，钻孔的抽放半径为1 m以及钻孔的直径为75 mm。根据前期对煤层瓦斯含量的探测，需保证预抽时间的天数不少于40天。

为了防止由于工作面负压的缘故导致空气吸入工作面瓦斯尾巷，从而降低煤层的抽采效果甚至引起自燃事故。在回采过程中，对瓦斯尾巷采用将其浮煤清理干净并喷洒阻化剂的措施。此外，还需加强对瓦斯尾巷的管路保护，以防管路由于顶板垮落而压断。

3.2 瓦斯防治效果

将上述瓦斯防治方案应用于该矿工作面的生产中，并对瓦斯抽放泵的流量进行统计验证工作面瓦斯的防治效果。

瓦斯抽放泵分为低负压瓦斯抽放泵和高负压瓦斯抽放泵。经现场应用观测可知：

1) 通过对低负压瓦斯抽放泵的流量进行统计可知，瓦斯抽放浓度为20%，且瓦斯抽放的实际流量为52 m3/min。

2) 通过对高负压瓦斯抽放泵的流量进行统计可知，瓦斯抽放浓度为25%，且瓦斯抽放的实际流量为33 m3/min。

采用上述方案连续抽采40天后开采，在实际开采过程中瓦斯的涌出量为7.2 m3/min；而当前工作面所配置通风系统的风量为1 500 m3/min。因此，基于上述瓦斯防治技术治理后的瓦斯浓度满足《煤炭安全规程》的相关要求。

4 结语

一直以来，工作面煤层的瓦斯突出事故是影响工作面安全性的主要因素之一，而且其危害强度也非常大。因此，对矿井工作面瓦斯的治理工作及其治理效果尤为重要。对于多煤层工作面而言，可通过采用保护层先行开采，煤层预抽放瓦斯等技术实现对工作面煤层瓦斯的治理工作，为工作面的安全生产奠定基础。