长榆河矿瓦斯预测治理技术与实践分析

王伟林

(1.潞安化工集团有限公司 科技研发中心，山西 长治 046204；2.潞安矿业(集团)有限责任公司，山西 长治 046204)

长榆河矿位于寿阳县解愁乡长榆河、窑龙沟、北窑沟、方山、计马沟村之间，井田形态为一近东西向的刀把形，东西长5 000 m，南北宽550～2 150 m，批采深度为1 349.96～999.96 m标高。井田面积6.562 4 km2。生产规模90万t/a，采用综采一次采全高采煤法采煤。

1 长榆河矿瓦斯涌出量预测计算

长榆河矿瓦斯来源少，建井投产期短，因此采用分源预测法计算预测瓦斯涌出量，具体计算步骤如下：

1) 回采工作面瓦斯涌出量预测。矿井回采工作面瓦斯来源包括开采层瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出两部分。

q采=q1+q2

(1)

其中回采工作面开采层瓦斯涌出量q1按下式计算：

(2)

式中 ：q采为回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；q1为回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；q2为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。k1为围岩瓦斯涌出系数，取值1.30；k2为工作面丢煤瓦斯涌出系数，取值1.05；k3为采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数，采用长壁后退式回采时，k3按下式确定。

(3)

式中：L为工作面长度，设计工作面长度150 m；h为巷道瓦斯预排等值宽度，15号煤层为贫煤，则取h=14.2 m；k3为0.81。

m为开采层厚度，15上平均2.45 m；15下平均2.66 m；M为工作面采高，15号采用长壁综采一次采全高采煤法；Wc为运出矿井后煤的残存瓦斯含量，15上为1.22 m3/t；15下为1.75 m3/t。

经计算：

15上号煤层q1= 1.3×1.05×0.81×(2.75-1.22) =1.69 m3/t；

15下号煤层q1= 1.3×1.05×0.81×(3.08-1.75) =1.47 m3/t。

长榆河矿回采工作面具体瓦斯涌出量预测计算结果如表1所示。

表1 回采工作面瓦斯涌出量预测结果

2) 掘进工作面瓦斯涌出量预测。本矿井掘进工作面的瓦斯涌出量分两部分，一部分来源于掘进时煤壁瓦斯涌出，另一部分来源于落煤瓦斯涌出，具体计算结果如下，预测结果见表2。

q掘=q3+q4

(4)

(5)

表2 掘进工作面瓦斯涌出量预测结果 m3/min

式中：q3为掘进巷道煤壁瓦斯涌出量，m3/min；D为巷道断面内暴露煤壁面的周边长度；对于薄及中厚煤层，D=2m0，m0为煤层厚度，m，15上=2.45 m、15下=2.66 m；v为巷道平均掘进速度，m/min(按300 m/min计算)；L为掘进巷道长度，取650 m；q0为煤壁瓦斯涌出强度，m3/min·m2，按下式计算：

q0=0.026[0.000 4(Vdaf)2+0.16]X0

(6)

式中：Vdaf为煤中挥发份含量；X0为煤层原始瓦斯含量，15上为2.75 m3/t，15下为3.08 m3/t。

q4=S·v·γ·(W0-Wc)

(7)

式中：q4为掘巷落煤瓦斯涌出量，m3/min；S为掘巷断面积，运输巷道取值12.88 m2，回风巷道取均值11.2 m2；v为巷道平均掘进速度，m/min，取0.006 94 m/min(按300 m/min计算)；γ为煤的密度，为1.35 t/m3。

3) 预测生产采区瓦斯涌出量如下式所示：

(8)

式中：Q区为生产采区相对瓦斯涌出量，m3/t；K＇ 为生产采区内采空区瓦斯涌出系数，1.25～1.45，取1.30；q采i为第i个回采区工作面的相对瓦斯涌出量，m3/t ；15上为6.64 m3/t、15下为4.44 m3/t；q掘i为第i个掘进工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min，15上为1.86 m3/min、15下为1.77 m3/t ；Ai为第i个回采工作面平均日产量，A1=2 590 t；A0为生产采区平均日产量，A0=2 727 t，预测结果见表3。

表3 生产采区瓦斯涌出量预测结果

4) 矿井瓦斯涌出总量。矿井瓦斯涌出量为矿井内所有生产采区和已采采区瓦斯涌出量之和，还包括其他辅助巷道的瓦斯涌出量，其计算公式为：

(9)

开采15上、15下煤层时，矿井瓦斯涌出预测结果见表4。

表4 矿井瓦斯涌出量预测结果

根据矿井瓦斯等级划分标准，该矿井属于低瓦斯矿井。但煤与瓦斯突出危险性与煤层所处的地质构造、煤层厚度、煤层倾角和煤层埋深等密切相关。由于应力场的复杂性以及在地应力的作用下，使得同一地质构造线内不同程度的应力集中，导致了瓦斯的运移和相对富集，形成了天然气相对高压和低压区，及各种有利于瓦斯富集和逸散的条件。

对在同一矿区、同一矿井内同一煤层来说，煤层突出危险性随开采深度的增加而增大，在开采浅部煤层时为低瓦斯或高瓦斯矿井，当开采到深部煤层后，煤层赋存条件改变致使煤层瓦斯压力增大，从而导致矿井成为突出矿井。

长榆河煤矿随着开采过程的延续，开采深度逐渐向深部延伸。由于开采煤层的埋藏深度越来越大，导致煤层的上覆岩层厚度也越来越大，上覆岩层的高压致使煤层围岩的瓦斯封存条件越来越好，煤层瓦斯压力随着开采深度的增加会越来越大。所以随着开采深度的延伸，煤层瓦斯相关问题应引起重视。

2 矿井瓦斯治理

2.1 工作面瓦斯运移规律

长榆河矿采用综采一次采全高采煤法，工作面瓦斯涌出主要分成两部分，一部分来自采空区瓦斯涌出，另一部分来自开采煤层瓦斯涌出。受采动影响，煤和岩体的压力平衡状态遭到破坏，导致煤层和围岩在各个方向上产生大量的裂隙，这些裂隙与回采完毕的相邻工作面采空区连通，在持续压力作用下，局部应力集中，裂隙发育形成了连通采空区的通道，煤层瓦斯通过通道向采空区排放，使采空区瓦斯浓度逐渐升高，进而受浓度梯度影响不断向工作面涌入，导致回采工作面和回风隅角瓦斯浓度升高。

2.2 综采工作面瓦斯治理相应措施

根据上述可能出现的矿井瓦斯问题，对其做出相应治理措施[1]，具体如下：

1) 对综采工作面，要重视流通风的调整工作，在一定限度允许范围内增加流通风数量。同时，要重视矿井瓦斯浓度监督控制环节，定期对综采工作面实际风量进行持续测量，以保证综采工作面通风环境的安全性和通风量的稳定性，为瓦斯整治管理打好基础。

2) 对综采工作面风隅角部选择性使用抽排风机，发挥回风和排风功能，实现回风和排风的高效循环。要根据综采工作面实际工作要求，选择合理的排风机安装位置，从而有效实现瓦斯治理工作方案的实施。其中，抽排风机的合理安置可以有效地辅助完成综采工作面内部来压。对于实际的瓦斯浓度测量，要合理增加瓦斯传感器，从而实现相应的自动化控制。对风筒内瓦斯浓度进行实时测量，从而合理安排抽排风机完成相应的瓦斯抽排工作。

3) 要完成矿井开采过程中低瓦斯工作环境的设置，必须时刻注意瓦斯治理工作的落实。除人员安排外，要采用轮班制完成瓦斯浓度检测工作，科学合理地规划瓦斯浓度监测形式，按统一选择最大值的方法对瓦斯浓度进行监测并完成统计，以便更好地进行对矿井风量的调整和上报。另外要在煤矿日常工作中增加瓦斯检查频率，缩短检查的时间间隔，以加强检查的力度。

4) 根据综采工作面风隅角集气的具体情况，对矿井内部瓦斯治理提出具体的方案措施。这些回风角的瓦斯排放部位需设置一定的设施，以完成防治。同时要注意对漏风情况进行实时监测，防止瓦斯逸散涌出。

5) 在工作面设置瓦斯抽放钻孔，对煤层内部瓦斯进行抽放[2]。在现场对巷道顶板打孔时，根据排水孔测得负压、流量、浓度等参数，对钻孔施工参数进行调整，以保证钻孔最终孔位精准定位在裂隙带。由于大部分钻孔贯穿裂隙带，使有效钻孔的抽放时间有效延长，增加瓦斯抽放量并且提高瓦斯抽放效率。工作面巷道内部需要设置辅助顶板钻孔，钻孔位置要围绕回风隅角进行施工，钻孔之间间隔20～25 m。为了保证有效抽放回风隅角积聚的瓦斯，要根据钻孔抽放参数测定来调试施工参数。当采动影响导致工作面地质条件发生变化时，要根据现场施工情况调整施工参数，另外可通过合理增加钻孔数量，增大钻孔布置密度来保证抽放效果。

3 瓦斯治理效果分析

在工作面回采过程中，可通过简化通风系统、减少巷道漏风来增加工作面配风量。通过清理巷道杂物，减小局部风阻，降低通风阻力。

在瓦斯抽放管道负压作用下，瓦斯将沿裂隙、顶板走向、辅助顶板，并向开切眼倾斜，从埋于煤层钻孔中预设的瓦斯抽放管道进入瓦斯抽放系统，排进主回风巷稀释。根据工作面实际情况，对瓦斯抽放钻孔的数量密度和留设位置进行合理布置，提高抽放孔内抽放参数的监测频率，关闭大流量低浓度的抽放钻孔，增加采空区瓦斯抽放量。随着回采工作面的推进，采空区面积逐渐变大，瓦斯逐渐被稀释，瓦斯抽放管道中瓦斯的浓度将逐渐降低。

通过上述一系列瓦斯治理措施的实施，理论上可显著提高工作面瓦斯抽放效果，增强了矿井工作面气体环境的安全性，使工作面瓦斯浓度稳定在较低水平。采空区瓦斯浓度得到有效控制，回风隅角瓦斯积聚情况改善，保证了工作面高产、高效、安全生产。