辛置煤矿2-2-559综采面初期瓦斯与煤尘治理研究

董林超

(霍州煤电集团辛置煤矿， 山西 霍州市 031412)

0 概况

辛置煤矿自 1952年建井以来，经山西省能源局认定核准的生产能力为280万t/a，现主采2#、10#、11#等煤层。其中+450 m水平位于2#煤层，煤层埋深+306 m～+370 m，走向较为平缓，倾角约为5°，平均厚度为3.75 m。工作面南部为310回风巷、310皮带巷及310轨道巷，西部为采区回风井与工业广场保护煤柱。受成煤地质因素影响，煤层透气性较差，回采中相对瓦斯涌出量高达10.3 m3/t，瓦斯已经成为综采面安全生产的巨大隐患。

2-2 -559 综采面所属煤层整体为单斜构造，单斜轴N13°W，工作面共存在10条断层，有2条横穿工作面，落差大于等于4 m的断层存在6条，对安全回采影响较大。2-2-559综采面走向平均长度为760 m，倾斜长度为131 m，总综采面积为99 560 m2。采面的直接顶、老顶由砂质泥岩、砂岩组成，老顶来压强度、步距较为稳定，因此采用全部垮落法控制岩层坡段，其采面布置如图1所示。

1 综采面瓦斯来源与通风方案现状

1.1 综采面内瓦斯涌出现状

2-2 -559 综采面初期采用“U型通风+采煤机喷雾+转载点喷雾”的常规手段控制瓦斯超限和煤尘污染难题。新鲜风流由2-2-559皮带巷向回风平巷内流动。在综采面停采期间，采面配风量为 1360 m3/min，风速为3.53 m3/s，工作面瓦斯平均浓度在0.2%～0.31%之间变化。当综采面推进至断层带或老顶来压时，瓦斯浓度上升至0.4%～0.6%，达到生产所限定的瓦斯极限浓度，影响后续安全作业。

依据《矿井瓦斯涌出量预测方法》所规定的分源预测法[1-3]对 2#煤层回采期间的瓦斯涌出量情况进行预测，其预测结果表明：开采煤层内地质条件多变，在通风困难时期，开采动压所形成的卸压区域和断层裂隙贯通至临近煤层，迫使2-2-559综采面污风内瓦斯含量突增。除此以外，在工作面回采初期，尚未开展采空区密闭与抽采作业，使得采空区内瓦斯无法充分释放，这也是工作面内瓦斯超限的原因之一。因此，为治理2-2-559工作面瓦斯超限问题，在经收集多方实验效果后，后期决定采用“顺层钻孔负压抽采+底抽巷穿层钻孔抽采+采空区埋管”等综合治理瓦斯措施。

图1 2-2-559综采面平巷布置

1.2 综采面瓦斯来源与治理措施

1.2.1 顺层钻孔负压预抽瓦斯

由于辛置煤矿2#煤层内瓦斯赋存含量较高，煤层透气性又远低于一水平煤层。为防止2-2-559经综采面回采期间出现瓦斯涌出风险，向开采煤层开凿顺层钻孔并实施负压抽采，达到提前降低瓦斯压力的目的。根据煤层实际地质情况，钻孔布置在进风、回风平巷内，采用“两堵一注”的方式进行封孔作业[4]，钻孔参数和封孔工艺见表1。

表1 钻孔参数与封孔工艺

1.2.2 底抽巷抽采卸压瓦斯

当2-2-559综采面向上山方向推进，受上覆岩层周期性垮落影响，在煤层顶板上方形成顶板冒落带、裂隙带和弯曲下沉带[5]，形成范围较大的瓦斯卸压区。因此，额外开掘底抽巷，并将抽采钻孔布置在裂隙带内，也可达到抽采卸压区瓦斯的目的。在辛置煤矿，将底抽巷布置在2-2-559综采面底板内，沿底抽巷顶板方向开掘穿层、扇形钻孔，达到抽采卸压区瓦斯的目的，底抽巷参数见表2。

表2 底抽巷参数

1.2.3 采空区埋管和密闭治理瓦斯

为治理垮落煤层释放瓦斯，在采空区中，提前埋设抽采管路，从而防止上隅角处瓦斯浓度超限。在埋管措施中，沿平巷非开采帮布置1排直径250 mm的负压抽采管路，管路每间隔20 m设有三通阀和迈步管。当顶板垮落后，自然埋入采空区内。除上述措施外，还使用挡风帘和密闭墙对瓦斯进行遮挡，以增大采空区瓦斯扩散阻力。最后，所抽采瓦斯经管路排放至地面抽采站。

2 综采面内瓦斯治理效果

2.1 顺层钻孔抽采瓦斯情况

为考察顺层钻孔抽采瓦斯效果，分别采集了2-2-559综采面进、回风平巷钻孔抽采瓦斯浓度和流量，不同抽采时间下瓦斯流量与浓度效果如图2所示。

图2 进、回风平巷内瓦斯数据

如图2（a）所示，在综采面推进期间，进风巷顺层钻孔内瓦斯浓度在 12%～33.2%之间变化，瓦斯平均浓度为25.72%。钻孔内瓦斯流量约为1.068 m3/min～8.96 m3/min，平均流量约为4.25 m3/min。图2（b）中，回风平巷内钻孔瓦斯浓度在13.2%～33.6%之间变化，平均浓度为18.52%，瓦斯平均流量为3.12 m3/min。使得钻孔的提前施工和抽采时间对局部、异常高瓦斯赋存治理有较好效果。在综采面回采前，取样测试残余瓦斯含量，从16.7 m3/t降低至 5.78 m3/t，对保护人员和安全回采起到重要作用。

2.2 底抽巷内瓦斯抽采效果

为考察穿层钻孔抽采效果，自2017年1月起底抽巷开始使用，穿层钻孔内瓦斯流量与浓度变化如图3所示。

图3 底抽巷内瓦斯数据

自2-2-559综采面开始回采，在穿层钻孔瓦斯统计数据中，瓦斯变化趋势与顺层钻孔内瓦斯有明显不同。在抽采初期，煤层内推进距离较短，上覆岩层顶板垮落范围较小，最终导致顶板岩层卸压效果较差。此时，底抽巷内瓦斯浓度仅为 6%，瓦斯纯流量为16 m3/min。当工作面推进距离超过200 m后，伴随老顶的周期性垮落，在顶板与穿层钻孔内形成良好的裂隙通道。此时，穿层钻孔逐渐进入高效抽采阶段，使得临近采煤空间内剩余瓦斯快速向穿层钻孔内流动，促使钻孔内抽采瓦斯含量快速增加，瓦斯浓度与流量分别稳定在18%和26 m3/min。由此可见，底抽巷对防治临近层瓦斯和向采空区内瓦斯汇集有较好效果。

2.3 采空区埋管和密闭抽采效果

采空区内埋设管路内瓦斯含量的统计如图4所示。

图4 采空区埋管内瓦斯数据

由图4可知，随着上覆岩层的不断破坏，采空区埋设管路内瓦斯浓度与流量呈现逐渐增加的趋势。当瓦斯浓度达到峰值后，逐渐趋于稳定。采空区内瓦斯汇集主要是由遗落散煤所释放，因此，在抽采初期，瓦斯浓度与流量明显低于其他措施。当回采进入老顶稳定来压阶段后，采空区内散落煤炭量与临近空间内瓦斯的提高，需额外开展密闭作业，封堵瓦斯向综采面扩散来源。整个抽采期间，采空区埋管抽采瓦斯浓度0.2%～0.5%之间，平均为0.3%。

当辛置煤矿采用瓦斯综合治理方式后，工作面煤炭产量显著提高。以2-2-559综采面回采效率提高5%（300个工作日）计算，则综采面年产可增加煤炭产量1.8万t。采用综合瓦斯治理方式后，可明显提高企业的生产效益。

3 结论

（1）根据辛置煤矿 2-2-559综采面地质赋存情况，在已有瓦斯治理措施基础上，通过井下综采面瓦斯综合措施的联合应用，提高了煤层内瓦斯治理效果，减少了工作面处瓦斯超限威胁，提高了煤炭资源回采率。

（2）辛置煤矿在综采面初期通过负压钻孔抽采、采空区埋设管路和密闭抽采的方法，达到了提高抽采瓦斯浓度与流量的目的。煤层内初始瓦斯含量已由17.5 m3/t降低至6.85 m3/t；底抽巷平均抽采瓦斯浓度为17.21%，平均流量为39.74 m3/min；采空区埋管平均抽采瓦斯浓度为3.23%，平均纯流量为0.54 m3/min，瓦斯抽采效果明显。