厚煤层大采高工作面瓦斯综合治理技术研究

王学兵 苏保山

（国能乌海能源五虎山矿业有限责任公司，内蒙古 乌海 016000）

煤矿瓦斯是煤矿井下危险性易燃易爆气体，瓦斯抽采已成为煤炭矿井瓦斯问题解决和高效利用瓦斯的最合理方式[1-4]。大采高、高瓦斯矿井综采工作面推进的速度较快，顶板垮落面积过大，瓦斯的集中涌出易导致上隅角、回风流等地点瓦斯超限，阻碍矿井安全高效生产[5-8]。因此，瓦斯浓度的降低是实现高瓦斯矿井安全回采的关键。

1 工作面概况

011206 综采工作面位于五虎山矿12#层盘区南翼，工作面煤层底板标高+989～+1020 m，工作面走向长为1090 m，采高为4.5 m，倾斜长为170 m，日产量为5000 t。五虎山煤矿鉴定结果为高瓦斯矿井，矿井瓦斯绝对涌出量62.24 m3/min，相对瓦斯涌出量17.3 m3/t，二氧化碳相对涌出量3.68 m3/t，瓦斯压力为1.13 MPa。

2 瓦斯涌出量计算与分析

回采工作面瓦斯涌出量：

式中：q2为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t，q1为开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；q采为相对瓦斯涌出量，m3/t。

开采层瓦斯涌出量：

式中：K1为围岩瓦斯涌出系数，1.2；K2为回采工作面瓦斯涌出系数，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，0.78；M为工作面采高，4.5 m；W0为煤层抽采后残余瓦斯含量，5.45 m3/t；Wc为运出矿井后煤炭的残存瓦斯含量，2.35 m3/t。

邻近层瓦斯涌出量：

式中：Ki为第i个邻近层瓦斯排放率，%；mi为第i个邻近层煤层厚度，m。

工作面上覆9#、10#煤层均为采空区，13上2#、13#煤层为下邻近层。011206 工作面12#煤抽采后残余瓦斯量取5.45 m3/t。煤炭残存瓦斯量0.94 m3/t，原始瓦斯量4.68 m3/t。将上述参数代入公式计算，得011206 工作面瓦斯涌出量为10.73 m³/min。

3 瓦斯治理方案

3.1 瓦斯抽采方法

在011206 回风绕道钻场共计施工26 个定向钻孔，工程量13 458 m，对工作面回风巷0～647 m 范围进行抽采；在011206 回风顺槽650 m 瓦斯抽采钻场，施工42 个定向钻孔，钻孔累计工程量为15 165 m，对工作面回风巷650～1090 m 范围进行抽采；在工作面中切眼和切眼之间沿运输巷布置本层倾向钻孔，钻孔深100～160 m，钻孔间距7.5 m。

图1 011206 工作定向及倾向钻孔布置图

高位瓦斯抽放钻孔布置在回风顺槽内，从切眼外处70 m 开始，距皮带巷105 m 处停止，每组布置钻孔5 个，设计钻孔孔深74～96 m，每组钻孔搭接20 m，共设计布置钻场14 个，钻孔70 个，设计工程量6504 m。具体设计如图2 所示。根据矿井抽采经验，预测高位钻孔瓦斯抽采量约为1.5 m3/min。

图2 011206 工作面高位钻孔布置示意图

抽采管敷设在工作面回风巷内，抽采管前端兼作埋管，抽采管管口伸入采空区随着工作面推进保持在30～50 m，抽出采空区瓦斯。

设置一个弯管在抽采管末端，使其抽采管口延伸至回风巷顶，在抽采管口竖立木垛对管口保护，作为埋管口。后部抽采管间隔30～50 m 安装一组组件，包含控制阀门和埋管口以及三通。在开采中，保留采空区中的埋管口，对采空区瓦斯进行系统抽采。接替埋管口埋在采空区内3～5 m 处且工作面推进到下一个埋管口三通处时，将采空区内的前一埋管段控制阀门关闭，打开下一循环的埋管口阀门，利用埋管持续抽采。

图3 埋管抽采示意图

3.2 管路技术参数计算

（1）本煤层预抽钻孔抽放管路直径

瓦斯抽放浓度以30%为标准，则通过管路内的混合流量为：

Q=11.32÷30%=37.73 m3/min

根据公式：

式中：Q为管路的抽放流量，取值37.73 m3/min；V为管路的经济流速，取值15 m/min。

（2）本煤层预抽钻孔抽放管路阻力的计算

本煤层预抽抽放管路铺设一趟300 mm 管路进行抽放。

① 沿程阻力计算

H1=9.81·Q2·L·γ/（K·D5）

H1=9.81×（37.73×60）2×940

×0.822/（0.71×305）=2 251.5 Pa

② 局部阻力计算

局部阻力取沿程阻力15%，即H2=337.7 Pa。

③ 尾巷预埋管总阻力计算

H总=H1+H2=2589.2 Pa=2.589 2 kPa

（3）采空区抽放管路直径

瓦斯抽放浓度以30%为标准，则通过管路内的混合流量为：

Q=5.24÷30%=17.47 m3/min

根据公式：

式中：Q为抽放流量，取17.47 m3/min；V为流速，取15 m/min。

通过计算确定工作面应铺设一趟大于Ф157 mm 管路能够满足采空区抽放需要，实际铺设一趟Ф400 mm 管路。

（4）采空区抽放管路阻力的计算

① 沿程阻力计算公式：

H1=9.81·Q2·L·γ/（K·D5）

H1=9.81×（17.74×60）2×940

×0.822/（0.71×405）=118.1Pa

式中：H1为摩擦阻力，Pa；L为管路长度，取940 m；γ为气体瓦斯相对密度，0.822 g/cm³；K为系数，取0.71；Q为瓦斯流量，m3/h；D为抽放管路内径，cm。

② 局部阻力计算

局部阻力取沿程阻力15%，即H2=17.72 Pa。

③ 高位钻场管路总阻力计算

H总=H1+H2=135.82 Pa=0.135 82 kPa

因此要求011206 工作面高位及采空区抽放时负压必须大于0.135 82 kPa，能够满足抽放的需要。

3.3 011206 工作面瓦斯抽采系统

（1）瓦斯抽采泵布置

回采工作面利用地面抽放系统，由2BEC-72 型水环真空泵抽放本煤层预抽钻孔、邻近层下覆10#煤层预抽钻孔，流量505 m³/min，抽采负压0.34 MPa，电机功率630 kW；由2BEC-67 型水环真空泵抽放采空区，流量385 m³/min，电机功率450 kW。

（2）瓦斯抽采管路布置

工作面本煤层预抽钻孔采用2BEC-72 型水环真空泵，使用Ф400 mm 管路连接本煤层预抽。

（3）011206 工作面采空区抽放

采空区抽放采用地面2BEC-67 型抽放泵，在011206 回风巷安装Ф400 mm 管路连接采空区抽放。

（4）瓦斯抽放管路敷设

本煤层预抽钻孔：地面瓦斯抽放泵站Ф600 mm →十二层回风斜井Ф600 mm →十二层总回Ф450 mm →十二层回风上山Ф450 mm →011206运输巷、回风巷Ф300 mm。

采空区抽放：地面瓦斯抽放泵站Ф450 mm →十二层回风斜井Ф450 mm →十二层总回Ф450 mm →十二层回风上山Ф450 mm →回风巷Ф400 mm。

4 瓦斯抽采效果分析

进行实时监测，记录定向长钻孔和之前普通钻孔的瓦斯抽采数据，瓦斯纯量对比图如图4 所示。

由图4 和图5 可知，初期定向长钻孔瓦斯纯量比普通高位钻孔增加得慢。在工作面回采时，钻孔的瓦斯抽采率在20%以上，推进400～405 m 时，抽采率小于20%。原因是钻孔的终孔高度降低，导致高位钻孔抽采采空区的瓦斯量逐渐减弱。推进至360 m 时，瓦斯抽采率达到最大值52.3%，平均瓦斯抽采率为31.2%。

图4 瓦斯抽采纯量对比

图5 瓦斯抽采率变化曲线

由图6 可知，上隅角及回风巷内的瓦斯浓度出现明显的降低趋势；回采期间工作面各区域的瓦斯浓度均处于合理范围内，其中上隅角的瓦斯浓度始终稳定在0.1%～0.5%，处于合理范围之内。

图6 瓦斯抽采率变化曲线

5 结论

（1）回采期间011206 工作面的绝对瓦斯涌出量为16.67 m3/min，仅靠通风方式无法解决，需采取措施进行治理。

（2）根据实际情况，选定定向长钻孔技术并结合本层的倾向钻孔对本煤层瓦斯进行边抽边采，采用高位钻孔以及“埋管”的方式对采空区瓦斯进行治理。

（3）上隅角及回风巷内的瓦斯浓度出现明显的降低趋势；回采期间工作面各区域的瓦斯浓度稳定在0.1%～0.5%，处于合理范围之内，平均瓦斯抽采率为31.2%。