急倾斜特厚煤层水平分层开采工作面瓦斯立体化抽采工艺技术研究与应用

郑三龙，范酒源，王 刚,3，王恩茂

1.神华集团新疆能源有限责任公司 乌东煤矿，新疆 乌鲁木齐 830002； 2.山东科技大学 矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590； 3.山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)

随着科学技术、煤矿开采装备的进步与企业管理机制的日益完善，我国煤矿瓦斯事故呈现逐年减少的趋势[1-3]。因急倾斜煤层开采矿井较少，而以前开采深度较浅，矿井瓦斯涌出量相对较小，随着开采深度的增加，瓦斯灾害逐渐成为影响我国急倾斜煤层开采矿井安全生产的重要因素[4-6]。由于急倾斜特厚煤层地质条件和开采工艺的特殊性，导致开采期间瓦斯灾害异常复杂，工作面回采期间的大量瓦斯涌出，严重影响煤矿的安全生产，而瓦斯浓度的分布不均匀易导致瓦斯局部积聚从而发生瓦斯事故，造成人员伤亡与资源损失[7-10]。

目前，针对急倾斜煤层水平分层开采工作面瓦斯治理相关的技术研究相对较少，为该类工作面的瓦斯治理工作带来了巨大的挑战[11-12]。陈建强等[13-14]针对矿井瓦斯赋存与涌出来源，介绍了碱沟煤矿综合瓦斯治理措施，主要包括顺层钻孔瓦斯抽采、穿层钻孔瓦斯抽采、卸压瓦斯拦截抽采，以及顶板走向长钻孔瓦斯抽采和采空区埋管抽采瓦斯等方法，取得了显著的瓦斯治理效果；黄渊跃等[15]通过对湖南爱和山煤矿急倾斜水平分层开采工作面上隅角与回风巷瓦斯超限的分析，选择采用采空区埋管和采空区插管抽采措施，较好地解决了工作面瓦斯超限难题；王继龙等[16]对大倾角急倾斜煤层放顶煤开采过程中瓦斯突出问题进行了具体的分析与研究，并提出采用预抽煤层瓦斯、边采边抽、高位钻孔抽采瓦斯等方法解决瓦斯突出问题；邹永洺等[17]通过理论分析并结合现场实测的方法，确定了高瓦斯急倾斜煤层综放工作面可采用采前预抽、边采边抽、采后抽采的瓦斯治理方法；张新战等[18]针对急倾斜特厚煤层高阶段综放开采下易导致瓦斯突然急剧释放、瓦斯超限及综合治理难题，提出了基于矿压调控的瓦斯立体抽放工艺技术。为了实现急倾斜矿井水平分层开采工作面的安全、高效生产，有必要建立适用于矿井自身条件的瓦斯抽采技术体系[19]。为此，笔者在总结与分析前人研究成果的基础上，采用理论分析并结合现场试验的研究方法，分析急倾斜煤层水平分层工作面瓦斯涌出来源及瓦斯涌出量预测，进而为现场制订瓦斯立体化抽采工艺措施提供理论支持。

1 工程背景

乌东煤矿是新疆重要矿井之一，所开采煤层属于急倾斜特厚煤层，煤层倾角为45°。选择乌东煤矿+575 m水平43#煤层西翼工作面为试验地点，工作面布置如图1所示。工作面走向长度520 m，倾向长度32 m，采高25 m。工作面地质构造简单，煤层赋存为43#煤层。根据对乌东煤矿提供的调研资料可知：43#煤层原始瓦斯含量为5.96 m3/t，残存瓦斯含量为1.04 m3/t；煤层透气性系数λ为0.10～0.35 m2/(MPa2·d)，自然瓦斯涌出量衰减系数为0.06 d-1。

图1 +575 m水平43#煤层西翼工作面示意图

2 瓦斯涌出来源分析与涌出量预测

2.1 瓦斯涌出构成

通过对急倾斜煤层水平分层开采工作面瓦斯涌出来源分析[20]，得出+575 m水平43#煤层西翼工作面瓦斯涌出构成为：①工作面前方煤壁瓦斯；②落煤瓦斯；③工作面上部顶煤瓦斯；④工作面下部煤层瓦斯；⑤采空区瓦斯；⑥开采分层上部采空区涌出瓦斯。在工作面开采过程中，受通风负压作用，其综放工作面上隅角及附近架间会形成瓦斯聚积区，即瓦斯富集区域。为了更加安全、高效地治理+575 m水平43#煤层西翼工作面的瓦斯灾害，需要对其工作面瓦斯主要来源的瓦斯涌出量进行预测，为合理设计该工作面的瓦斯抽采钻孔提供理论支持。

2.2 瓦斯涌出量预测

急倾斜煤层水平分层开采工作面瓦斯涌出量包含：开采分层、邻近层、开采分层下部煤体及上部采空区的瓦斯涌出量，即：

q=q1+q2+q3+q4

(1)

式中q、q1、q2、q3、q4分别为回采工作面、开采分层、邻近层、开采分层下部煤体及上部采空区的相对瓦斯涌出量，m3/t。

2.2.1 开采分层瓦斯涌出量

急倾斜煤层开采分层工作面的瓦斯涌出量计算公式如下：

(2)

式中：q1为开采煤层瓦斯涌出量，m3/t；K1为围岩瓦斯涌出系数，取值1.2；K2为丢煤瓦斯涌出系数，取值1.33；X0、Xc分别为煤层原始、残存瓦斯含量，为5.35、1.58 m3/t；m0为开采层工作面厚度，为25.75 m；m为工作面采高，为25.75 m。

将相关参数代入式(2)计算得到工作面本分层相对瓦斯涌出量预测结果q1为6.11 m3/t。

2.2.2 邻近层瓦斯涌出量

根据43#煤层的赋存情况可知，受43#煤层采动影响的上部邻近层包括：42#、41-1#、41-2#、41-3#煤层；下部煤层主要是44#煤层。邻近层瓦斯涌出量q2为：

(3)

式中：mi为第i个邻近层的煤厚，m；Xi、Xic分别为第i个邻近层的原始、残存瓦斯含量，m3/t；ζi第i个邻近层受采动影响瓦斯排放率，%。

将相关参数代入式(3)计算可以得到43#煤层邻近层瓦斯涌出量预测结果，如表1所示。

表1 43#煤层邻近层瓦斯涌出量预测结果

2.2.3 开采分层下部煤体瓦斯涌出量

下部煤体的瓦斯涌出量根据下式计算：

(4)

式中：M为水平分段高度，m；Xt为瓦斯含量梯度，m3/(t·m-1)，取0.021 9 m3/(t·m-1)；α为煤层倾角，取45°；hp为采动影响深度，取30 m。

将相关参数代入式(4)计算得到+575 m水平43#煤层西翼工作面开采分层下部煤体瓦斯涌出量预测结果q3为3.38 m3/t。

2.2.4 采空区瓦斯涌出量

采空区中一定比例的瓦斯也将涌向采煤工作面，因此，采煤工作面瓦斯涌出量应考虑上部采空区瓦斯涌出量，则有：

q4=k(q1+q2+q3)

(5)

式中k为上部采空区瓦斯涌出系数，取0.15[1]。

根据计算结果知：q1为6.11 m3/t；q2为0.59 m3/t；q3为3.38 m3/t。将以上相关参数代入式(5)计算得到 +575 m水平43#煤层西翼工作面采空区涌出量预测结果q4为1.51 m3/t。

2.3 瓦斯涌出来源分析

通过对乌东煤矿+575 m水平43#煤层西翼工作面在回采过程中的瓦斯主要来源分析，结合瓦斯涌出量预测结果，得出+575 m水平43#煤层西翼工作面瓦斯主要来源及其瓦斯涌出量，如图2所示。

图2 +575 m水平43#煤层西翼工作面瓦斯主要来源及其瓦斯涌出量

由图2可知，+575 m水平43#煤层西翼工作面瓦斯涌出总量为11.59 m3/t，主要来源于开采分层及下部煤体卸压瓦斯涌出。开采分层涌出瓦斯主要包含了工作面煤壁和落煤瓦斯，以及采空区遗煤涌出的瓦斯。其中，开采分层的瓦斯涌出量为6.11 m3/t，占比52.72%，占比最大；下部煤体卸压瓦斯涌出量为3.38 m3/t，占比29.16%。因此，有必要采取煤体预抽并对下部卸压煤体进行瓦斯抽采。同时，受综放工作面采煤方法限制，其回采率较低，采空区遗煤中的瓦斯将大量涌出，邻近层及下部煤体卸压瓦斯会涌向采空区。在工作面通风负压作用下，会导致采空区的瓦斯涌向工作面，易造成工作面回风隅角瓦斯积聚。因此，针对瓦斯来源有必要采取强有力措施进行瓦斯抽采，确保工作面的安全开采。

3 急倾斜特厚煤层水平分层开采工作面瓦斯立体化抽采工艺试验

3.1 试验方案

3.1.1 预抽顺层长钻孔

利用乌东煤矿+575 m水平43#煤层西翼工作面1#煤门施工顺层长钻孔。其中，1#煤门单侧布置钻孔20个，控制分层20 m的高度范围，在垂直高度分别控制0、10、20 m，沿着煤层走向布置5排钻孔。其中最下一排布置6个钻孔，钻孔长度为210 m；第二排布置5个钻孔，钻孔长度为200 m；其他3排各布置3个钻孔，钻孔长度分别为124、80、30 m；钻孔孔径为113 mm，封孔长度为10 m。对此区域内的上分层、下分层经裂隙涌出的瓦斯进行拦截抽采。工作面1#煤门预抽顺层长钻孔布置如图3所示。

图3 +575 m水平43#煤层西翼工作面1#煤门预抽顺层长钻孔布置示意图

3.1.2 采空区埋管抽采

采用埋管抽采的方法治理乌东煤矿+575 m水平43#煤层西翼工作面采空区的瓦斯。在工作面南巷布置2#抽采管路，每间隔20 m布置一个三通，当2#抽采管路进入采空区20 m时，将蝶阀打开对采空区进行瓦斯抽采作业。如此循环，直至工作面回采完毕。+575 m水平43#煤层西翼工作面采空区埋管抽采布置如图4所示。

图4 +575 m水平43#煤层西翼工作面采空区埋管抽采布置示意图

3.1.3 顶板走向高位钻孔抽采

在+575 m水平43#煤层西翼工作面南巷南帮每隔90 m施工一个高位抽采钻场，该钻场内共设计 6个高位钻孔，分为两排布置。上排3个钻孔，终孔高度距离巷道底部20 m，钻孔之间的间距为6 m；下排3个钻孔，终孔高度距离巷道底部10 m，钻孔之间间距为3 m。钻孔孔径为113 mm，封孔深度为6 m。工作面南巷顶板走向高位钻孔布置如图5所示，钻孔参数见表2。

图5 工作面南巷顶板走向高位钻孔布置示意图

表2 工作面南巷顶板走向高位钻孔布置参数

3.1.4 下部煤体卸压拦截抽采钻孔

由+500 m水平43#煤层西翼工作面南巷向+570 m水平43#煤层西翼施工卸压瓦斯拦截抽采钻孔。+500 m水平43#煤层边掘边抽钻场间距为150 m。向+570 m水平施工卸压瓦斯拦截抽采钻孔，钻孔终孔间距为31 m，钻孔分为两排开孔，钻孔具有不同的方位角和倾角。+575 m水平43#煤层西翼工作面下部煤体卸压拦截抽采钻孔布置如图6所示，钻孔参数见表3。

图6 +575 m水平43#煤层西翼工作面下部煤体卸压拦截抽采钻孔布置示意图

表3 +575 m水平43#煤层西翼工作面下部煤体卸压拦截抽采钻孔布置参数

3.2 瓦斯立体化抽采工艺技术效果分析

3.2.1 预抽瓦斯效果分析

+575 m水平43#煤层西翼工作面采用瓦斯立体化抽采工艺技术后，预抽瓦斯量为97.2万m3，风排瓦斯量为52.8万m3，瓦斯预抽率为42.1%。根据煤炭储量与煤层瓦斯含量，以及预抽量和风排量，计算得到经预抽之后工作面煤层残存瓦斯含量为3.01 m3/t，可解吸瓦斯含量为1.42 m3/t。同时，瓦斯立体化抽采试验后现场测定该工作面的最大可解吸瓦斯含量为2.64 m3/t，平均可解吸瓦斯含量为1.52 m3/t。根据设计生产能力为2 790 t/d，对照《瓦斯抽采达标暂行规定》相关要求，其生产能力达到2 501～4 000 t/d，当其可解吸瓦斯含量不大于6.0 m3/t时，则可以判定采煤工作面瓦斯预抽效果达标。通过现场实测、抽采数据分析，判定+575 m水平43#煤层西翼工作面采用瓦斯立体化抽采工艺技术后，瓦斯抽采达标，效果明显。

3.2.2 工作面回采过程中瓦斯涌出分析

1)回采工作面进风巷瓦斯涌出分析

在+575 m水平43#煤层西翼工作面回采过程中，工作面进风巷的瓦斯涌出量分布如图7所示。

图7 +575 m水平43#煤层西翼工作面进风巷瓦斯涌出量变化图

由图7可知，在工作面回采过程中进风巷的瓦斯涌出量维持在0.5 m3/min附近，基本稳定，最大瓦斯涌出量为1.0 m3/min，总体瓦斯涌出量较少。表明对工作面实施瓦斯立体化抽采工艺技术后，瓦斯抽采效果较好。

2)回采工作面回风巷瓦斯涌出分析

在+575 m水平43#煤层西翼工作面回采过程中，工作面回风巷的瓦斯涌出分布如图8所示。

图8 +575 m水平43#煤层西翼工作面回风巷瓦斯涌出量变化图

由图8可知，工作面开采初期瓦斯涌出量比较大，达到3.6 m3/min左右，但是，在现场实施预抽顺层长钻孔、采空区埋管抽采、顶板走向高位钻孔及下部煤体卸压拦截抽采钻孔相结合的瓦斯立体化抽采工艺技术后，随着工作面向前推进，工作面回风巷的瓦斯涌出量呈现整体降低的趋势。

3)回采工作面回风上隅角瓦斯涌出分析

在+575 m水平43#煤层西翼工作面回采过程中，回风巷上隅角瓦斯浓度(甲烷体积分数，下同)分布如图9所示。

图9 +575 m水平43#煤层西翼工作面回风上隅角瓦斯浓度变化图

由图9可知，在整个+575 m水平43#煤层西翼工作面回采的过程中，回风巷上隅角瓦斯浓度最大达到0.79%。上隅角瓦斯浓度随工作面推进(范围在0～140 m)呈现增大的趋势，随后逐渐减小。在工作面推进300～400 m过程中，上隅角瓦斯浓度突然达到峰值。其原因可能为这段时期内工作面推进快，产煤较多，但其瓦斯涌出量依然位于合理范围之内。

4 结论

以乌东煤矿+575 m水平43#煤层西翼工作面为工程背景，进行了急倾斜特厚煤层水平分层开采工作面瓦斯立体化抽采工艺技术现场试验，主要得出以下结论：

1)+575 m水平43#煤层西翼工作面瓦斯主要来源于开采分层及下部煤体卸压瓦斯涌出，其中，开采分层瓦斯涌出量在该工作面瓦斯涌出来源中占比最大。

2)对工作面煤层进行瓦斯立体化抽采工艺试验后，工作面的预抽率为42.1%，残存煤层瓦斯含量为3.01 m3/t，可解吸瓦斯含量为1.42 m3/t。通过实测与抽采数据分析，判定该工作面抽采达标。

3)通过对+575 m水平43#煤层西翼工作面煤层进行瓦斯立体化抽采工艺试验后，在回采过程中工作面进风巷瓦斯涌出量维持在0.5 m3/min；回采工作面回风巷瓦斯涌出量整体有降低趋势；回采工作面回风隅角瓦斯浓度位于合理范围之内；回采过程中瓦斯抽采效果较为理想。实践表明，瓦斯立体化抽采工艺现场试验效果良好。