下霍煤矿2303 工作面瓦斯综合治理措施及效果分析

韩 四 虎

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山县店坪煤矿，山西 吕梁033100）

0 引 言

我国煤层地质赋存条件复杂，多数矿井面临瓦斯浓度高、开采难度大等问题。瓦斯治理不当将引发瓦斯故障，直接威胁着人员生命和设备安全，甚至造成矿井停产等严重后果。尤其近年来随着开采深度和规模的增大，工作面瓦斯治理是煤矿安全、高效生产的关键。同时，通过科学合理的瓦斯抽采，可实现煤层瓦斯资源的充分利用，减少资源浪费，增加企业收益[1-3]。

山西三元煤业股份有限公司下霍煤矿位于长子县慈林镇五里庄村，井田位于沁水煤田潞安矿区，批准开采3#煤层，地质储量284.97Mt，煤种为贫瘦煤、贫煤。经2019 年7 月矿井瓦斯涌出量测定，矿井绝对瓦斯涌出量为12.66m3/min，相对瓦斯涌出量为2.86 m3/t，因此属于高瓦斯矿井，在回采过程中，需对工作面瓦斯进行综合治理。本文将结合下霍矿综采工作面实际情况，对工作面瓦斯综合治理措施及效果进行研究。

1 矿井通风概括

下霍煤矿矿井采用单水平开拓（+505m），工业广场内布置有主立井、副立井和回风立井，井下有两个采区（一、二采区），布置2303 工作面（回采）、1308 工作面（收尾）等三个综采工作面，以及北翼皮带大巷、1306 风巷、1306 风巷反掘、2307 运巷等四个综掘工作面。

矿井采用中央并列式通风（主、副立井进风、回风立井回风），抽出式通风方法。矿井需风量为10346m3/min，实际供风量10647m3/min，回风量10860m3/min，主通风机负压2770Pa，有效风量率93%；回风立井安设两台型号为FBCDZ-8-No26B 轴流式通风机，配备电机功率为2×355kW，一用一备。回采工作面采用全风压（U 形）通风方式，轨道巷进风，胶带巷回风，掘进工作面所有风门实现气动闭锁，局部通风百米漏风率控制在1.5%以下。

2 工作面瓦斯涌出来源

经分析，下霍煤矿2303 回采工作面的瓦斯来源主要包括三部分，即3#煤层本煤层瓦斯涌出、上邻近层瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出。其中，本煤层瓦斯涌出主要对工作面煤壁附近的瓦斯浓度影响较大，当煤层瓦斯含量偏高时，应进行瓦斯预抽。3#煤层上邻近层为1、2#煤层，瓦斯浓度较高，将对3#煤层回采工作面的瓦斯浓度产生影响，因此也应进行抽采。采空区内的瓦斯来自遗煤和顶、底板裂隙，与回采推进速度、顶板垮落步距等相关[4-6]。

3 综采工作面瓦斯综合治理措施

针对下霍煤矿2303 回采工作面的瓦斯实际状况，应分别从本煤层、邻近层瓦斯抽采、采空区瓦斯抽采等方面，制定瓦斯综合治理措施。

3.1 本煤层顺层钻孔瓦斯抽采

根据预测，2303 工作面本煤层瓦斯涌出量约占总涌出量的68%，因此本煤层瓦斯抽采是工作面瓦斯治理的重点，适宜采用顺层钻孔预抽措施，即在回采过程中，分别在胶带巷、轨道巷的侧壁上施工预抽孔，钻孔方向平行于煤层，垂直于顺槽巷帮，如图1 所示。

图1 工作面顺层预抽钻孔示意

钻孔直径110mm，单侧孔间距5m，高度距底板2.5m，深度80～100m，两顺槽内的抽采孔交叉布置。钻孔成形后，应及时用压力水清理孔内煤渣，并用聚氨酯等进行封孔，封孔长度需大于20m。然后，分别将同侧的孔连接抽放管路至主管路。为加强本煤层瓦斯抽放监控，应将抽放管路10 个一组，设置1 个总阀门，并在合适位置安装瓦斯监测仪器，对抽放压力、流量等进行监测。实践表明，通过设置顺层钻孔预抽孔，可实现煤层采前未卸压瓦斯预抽，以及回采中煤壁卸压瓦斯抽采，抽采率可达到60%～80%。

3.2 上邻近层高位钻孔瓦斯抽采

根据预测，3#煤层上邻近层瓦斯涌出量约占总涌出量的15%，主要影响回风隅角和回风巷的瓦斯浓度，适宜采用高位钻孔瓦斯抽采措施，即在胶带巷内，按间距30m 施工若干瓦斯抽放钻场，每个钻场内钻8～12 个高位孔，孔间距0.3～0.4m，其中4-6 处孔倾角为68°，终孔位置在1#煤层内；另外4-6 处孔倾角为24°，终孔位置在2#煤层内，如图2 所示，需确保终孔位置与煤层顶板的距离在10～15m 之间，孔深度100～120m。在进行封孔后，应在管路上设置阀门和测气孔等，及时监测抽采瓦斯浓度和流量。

图2 上邻近层高位钻孔瓦斯抽采示意

3.3 采空区瓦斯抽采

工作面回采后，采空区悬顶周期性垮落，采空区顶板围岩内生成大量裂隙，围岩内瓦斯通过裂隙通道进入采空区，由此造成瓦斯积聚和浓度升高。为防止采空区内高浓度瓦斯对工作面的影响，一方面，应采取施工煤袋墙、悬挂风障、减小内外压差等措施，防止采空区瓦斯进入工作面；另一方面，在回风隅角对应采空区内埋设抽采管道，如图3 所示，对瓦斯进行抽放。瓦斯抽放泵的电机功率为280kW，抽放管道深入采空区深度30～40m，采用直径270mm 的螺旋焊管，与回风巷内高位钻孔抽放管路合并使用。

图3 采空区瓦斯抽采示意

4 工作面瓦斯浓度分布检测

上述措施实施后，可有效降低工作面瓦斯浓度，瓦斯抽采率达到73%。为进一步研究工作面瓦斯治理效果，本节将对工作面的瓦斯浓度分布情况进行研究。

4.1 浓度分布检测方案

检测时间选择在采煤机回采结束检修期间，如图4 所示，从轨道巷到胶带巷依次等距选择8 处测量断面，每个断面选取5 个测量点，使用便携式瓦斯测量仪对每个点的瓦斯浓度进行测量。

图4 工作面瓦斯浓度检测点选择示意

4.2 结果分析

4.2.1 沿工作面走向瓦斯浓度分布

对每处断面的5 个测量值进行平均，可得到沿工作面走向的瓦斯浓度分布，如图5 所示，可见从轨道巷端头到胶带巷端头，平均瓦斯浓度逐渐升高，且越靠近胶带巷，瓦斯浓度升高趋势越明显，这主要与U型通风系统的通风特点有关。轨道巷进风，因此风流中的瓦斯浓度较低，Ⅰ号断面的瓦斯浓度仅为0.11%，而在经过工作面过程中，本煤层涌出的瓦斯和采空区漏出瓦斯不断进入回风流中，由此导致瓦斯浓度沿工作面走向逐渐升高，在回风上隅角达到最大0.48%，但低于设备断电临界值0.8%，说明工作面的瓦斯治理效果明显。另外，回风上隅角的瓦斯聚集也与局部涡流、采空区漏风等相关，但通过瓦斯综合治理，可基本消除由上隅角瓦斯超限引发的停电故障。

图5 沿工作面走向瓦斯浓度分布图

4.2.2 沿工作面倾向瓦斯浓度分布规律

分析各断面上不同测量点的瓦斯浓度可知，5 处测量点的数值总体上均呈现U 形分布，即巷道中部的数值偏低，而靠近煤壁和采空区位置的数值偏高，且采空区一侧的数值略高于煤壁侧。造成以上分布特点的原因如下：第一，煤壁和采空区均有瓦斯涌出，因此相对巷道中部的测量值偏高；第二，液压支架布置在采空区一侧，且布置密度较大，因此风阻大，通风受限。另外，回风隅角测量断面中，靠近采空区上隅角的最大瓦斯浓度达到5.9%，因此应注意上隅角瓦斯监测点的选择，并根据测量结果及时调整瓦斯治理措施。

5 结 论

1）下霍煤矿为高瓦斯矿井，因此在回采过程中需解决工作瓦斯涌出、回风隅角瓦斯超限等问题，分析表明，其瓦斯来源主要包括本煤层瓦斯涌出、上邻近层瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出；

2）针对下霍煤矿2303 回采工作面的瓦斯实际状况，提出了本煤层顺层钻孔瓦斯抽采、上邻近层高位钻孔瓦斯抽采、采空区埋管瓦斯抽采等瓦斯综合治理措施，上述措施实施后，可有效降低工作面的瓦斯浓度，瓦斯抽采率达到73%；

3）通过在工作面的进一步瓦斯浓度分布检测，发现沿工作面走向顺风流方向的瓦斯浓度逐渐升高，沿工作面倾向靠近煤壁和采空区的瓦斯浓度相对巷道中部偏高，但经过瓦斯综合治理，检测到的最高瓦斯浓度满足安全生产需求，不会发生设备断电。

4）由于回风上隅角容易出现局部涡流、采空区漏风等不利情况，因此应加强该位置的瓦斯监测和治理。