临涣煤矿瓦斯防治技术研究

田 丽，李 贺，2，徐超平，刘五车，王小龙

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201；2.中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116)

瓦斯是威胁矿井安全的重要因素之一，在矿井生产过程中容易造成人员窒息或瓦斯爆炸，给矿井安全生产带来显著的不利影响[1-4]。为了降低瓦斯灾害带来的损失，瓦斯防治技术被应用于该领域中。国内外众多学者针对不同条件下的瓦斯灾害及其防治技术展开了相关研究。研究瓦斯涌出是瓦斯防治的前提，掌握瓦斯涌出规律就可以进行相关瓦斯涌出量预测[5]。国外学者提出了艾雷瓦斯解吸经验公式、基于winter指数的平滑预测及基于R/S分析法等瓦斯涌出量预测方法。经过科学工作者多年的努力，国内瓦斯防治技术也取得了大量研究成果[6-14]。李玉宝[15]提出改进优化通风方式，利用地面抽采井、采前预抽、高抽巷抽采和采空区埋管相结合的立体式抽采模式，实现了高瓦斯变低瓦斯抽采。李鹏[4]提出本煤层顺层钻孔抽采、高位抽采钻孔、采空区埋管抽采、现采空区埋管抽采相结合的综合治理技术。刘培[16]采用高位钻孔、超前卸压钻孔、上隅角插管的瓦斯防治技术，有效降低了工作面的瓦斯涌出。不同开采条件下需采用不同的瓦斯防治技术，本文根据临涣煤矿六采区1061工作面的地质与开采技术条件，在综合分析和研究的基础上，制定1061工作面回采期间的瓦斯治理技术方案，以实现1061工作面的瓦斯防治目标，确保六采区1061工作面安全生产。

1 工程背景

临涣煤矿位于安徽省淮北市西南部濉溪县境内，矿井东西长13 km，南北宽4～5 km，面积约为50 km2。临涣井田内构造的主要特点是张性断裂及次级褶曲发育，共发现落差大于5 m断层的268条(正断层261条，逆断层7条)。断层走向以NNE和NE向为主，断层之间相互切割交叉，严重影响采区的合理划分。根据《矿井地质规程》有关矿井地质条件分类规定，综合评定井田构造复杂程度为Ⅲ类。

临涣煤矿六采区位于矿井西翼(含一、二水平)，二叠系含煤地层，主采7、8、9、10煤4层煤。研究结果表明，六采区主采煤层均不在突出危险区域内，主采煤层7、9(8)和10煤均不具有突出危险性。

2 工作面瓦斯涌出量确定

2.1 工作面回采期间瓦斯涌出量情况

根据回采期间瓦斯抽排量记录原始数据统计分析结果，1061工作面瓦斯涌出自2018年1月18日开始，回采结束于2019年9月29日，共计时间为620 d，瞬时瓦斯涌出量为0.48～22.20 m3/min，平均14.97 m3/min，累计瓦斯涌出量为1 336.6万m3。

2.2 工作面风排瓦斯情况

根据临涣煤矿1061工作面通风与瓦斯日报数据，六采区1061工作面回采期间，工作面排风量为720～2 102 m3/min，平均1 670 m3/min；回风流瓦斯浓度T2示值为0.02%～0.07%，平均0.03%；风排瓦斯量为0.14～1.47 m3/min，平均0.46 m3/min。累计总风排瓦斯量为41.2万m3。

3 瓦斯防治技术措施

根据项目实施方案，1061工作面瓦斯治理模式为“分源综合抽采(地面井+高位钻孔+上向拦截钻孔+采空区埋管)”措施。

3.1 地面抽采井抽采瓦斯

地面抽采井抽采瓦斯旨在通过地面抽采井穿透7、9(8)和10煤后进入10煤底板。在1061工作面开采期间，因采动影响，大量吸附瓦斯迅速解吸为游离瓦斯，利用地面抽采井的高负压对7、9(8)和10煤解吸瓦斯进行抽采。

(1)1061工作面地面抽采井抽采钻孔设计。根据地面抽采井抽采半径，1061工作面共设计6口地面井。钻井开孔直径311 mm，终孔直径91 mm，终孔于10煤层底板。1号地面抽采井距降低风巷40 m，距切眼229 m，1号地面抽采井距回风巷120 m，距对接切眼100 m，3号—6号地面抽采井距1061回风巷120 m，抽采井间距为150 m。工作面地面井的具体位置如图1所示。

图1 临涣煤矿六采区1061工作面地面井布置剖面Fig.1 Layout of surface wells in the 1061 working face in sixth mining area of Linhuan Coal Mine

(2)地面井瓦斯抽采量统计。根据矿井瓦斯抽采原始记录，地面抽采井在2018年2月8日开始抽采，2019年9月29日结束，瞬时抽采量为2.53～16.96 m3/min，平均为12.22 m3/min，累计瓦斯涌出量为1 055万m3。

根据临涣煤矿各煤层C同位素分布规律，1061地面抽采井瓦斯抽采比例为：7煤21%、9(8)煤38%、10煤35%、其他6%。计算得出各煤层抽采瓦斯总量分别为7煤222.3万m3、9(8)煤400.6万m3、10煤368.9万m3、其他63.2万m3。

3.2 高位钻孔与拦截钻孔抽采瓦斯

(1)高位钻孔设计。高位钻孔设计在工作面高位钻场内，主要解决工作面回采期间邻近层及采空区瓦斯涌出问题[17]。通过高位钻孔对采空区进行抽采，减少采空区瓦斯涌出量，实现工作面安全生产[18]。据工作面可采走向长度及风巷、降低风巷煤层赋存情况，沿工作面风巷、降低风巷共设计高位钻场12个。降低风巷设计高位钻场3个，钻场平台长5.0 m、宽4.0 m、高3.0 m，钻场间距80～110 m；对接切眼内设计高位钻场1个，钻场位于对接切眼向上30 m；风巷设计高位钻场7个，钻场间距110～130 m。工作面初放、切眼对接期间，1号、5号高位钻场增加3个低位抽采孔，控制到煤层顶板3～5 m，倾向上距风巷、降低风巷平距5～15 m；2号、3号及6号—11号高位钻场分别布孔12个(6高6低)，孔径113 mm。在降低风巷内4号钻场内施工斜交钻孔，用于抽采工作面对接前采空区瓦斯。钻孔设计12个，终孔间距10 m，控制降低风巷向下25 m。

(2)上向拦截钻孔设计。利用高位钻场向被保护层施工上向拦截钻孔，超前抽采被保护层卸压瓦斯，减少被保护层卸压瓦斯大量涌入保护层工作面采空区，防止瓦斯超限[19]。按照40 m×40 m网格在工作面走向上、倾向上布置钻孔，孔径113 mm，终孔位置要求穿过9煤层顶板0.5 m；钻孔终孔后安设φ108 mm套管，封孔深度封至冒落带5 m以上，每个钻场的上向拦截钻孔通过抽采集中箱与抽采管路连接，抽采孔口负压不低于13 kPa。

(3)“高位+上向拦截”钻孔瓦斯抽采量统计。六采区1061工作面“高位+上向拦截”钻孔抽采瓦斯始于2018年1月23日，结束于2019年9月29日。其中，高位钻孔瞬时瓦斯抽采量为0.11～4.18 m3/min，平均为0.93 m3/min，累计抽采量为82.11万m3。高位钻孔抽采量变化曲线如图2所示。

图2 1061工作面高位钻孔抽采量变化曲线Fig.2 Change curve of the drainage volume of the high-level boreholes on 1061 working face

1061工作面上向拦截钻孔瞬时抽采量0.07～6.45 m3/min，平均1.47 m3/min，累计抽采量为130.00万m3。上向拦截钻孔抽采量变化曲线如图3所示。根据临涣煤矿各煤层C同位素分布规律，1061上向拦截钻孔瓦斯抽采比例为：7煤27%、9(8)煤45%、10煤及其他28%。计算得出各煤层抽采瓦斯总量分别为7煤35.1万m3、9(8)煤58.5万m3、10煤及其他36.4万m3。上向拦截钻孔分源抽采量变化曲线如图4所示。

图3 1061工作面上向拦截钻孔抽采量变化曲线Fig.3 Change curve of the drainage volume from upward intercepting boreholes on 1061 working face

图4 1061工作面上向拦截钻孔分源抽采量变化曲线Fig.4 Variation curves of source extraction volume from interception boreholes on 1061 working face

3.3 采空区埋管抽采瓦斯

(1)采空区埋管管路布置。在工作面上隅角预埋抽采管路，通过移动瓦斯抽采系统抽采采空区瓦斯，防止上隅角瓦斯积聚[20]。六采区1061工作面采空区埋管布置如图5所示。

图5 六采区采空区埋管抽采瓦斯管路布置Fig.5 Schematic diagram of gas drainage pipeline layout of goaf buried pipe in the sixth mining area

(2)采空区埋管瓦斯抽采量统计。六采区1061工作面采空区埋管抽采瓦斯始于2018年1月18日，后因工作面瓦斯抽采措施能力富余，于2018年5月28日停止采空区埋管抽采，抽采时间131 d。采空区埋管瞬时抽采量为0.12～5.46 m3/min，平均为1.55 m3/min，累计抽采量为33.95万m3。

根据矿井1061工作面回采期间回风巷瓦斯浓度监控原始数据统计分析结果(图6)，没有发现瓦斯异常涌出现象。由图6可以看出，在1061工作面整个回采期间，回风巷瓦斯浓度在0.02%～0.07%，表明1061工作面回风巷最大瓦斯浓度为0.07%，远小于《煤矿安全规程》中的规定值1%[21]，充分说明了瓦斯防治技术方案的合理性和方案实施的有效性。

图6 1061工作面回风巷瓦斯浓度(T2)变化曲线Fig.6 Gas concentration (T2) change curve of return airway in 1061 working face

4 结论

根据临涣煤矿各煤层C同位素分布规律，1061工作面回采期间，“地面抽采井与上向拦截钻孔”对上覆7煤的抽采比例分别为21%、27%，累计抽采7煤瓦斯量为257.4万m3；对9(8)煤抽采比例分别为38%、45%，累计抽采9(8)煤层瓦斯量为459.1万m3，大大降低了临近层9(8)和7煤的瓦斯含量，为六采区7煤与9(8)煤后续的安全高效回采奠定了坚定基础。