高瓦斯矿井系统优化及瓦斯治理研究

赵文曙，梁旺亮

（山西西山煤电股份有限公司西铭矿，山西 太原 030052）

为适应智能化开采需要，近年来西铭矿在各煤层中开展了系统优化与瓦斯治理技术革命，一是优化采区及工作面设计，推行大采区、大采长、大走向、大储量工作面，减少了搬家倒面，缓解了采掘衔接，延长了采面回采期；二是面对大采长、大储量工作面瓦斯涌出来源及规律的变化，实践了立体式、分源式、精准式瓦斯治理对策，矿井实现了高瓦斯工作面在低瓦斯状态下的安全高效回采。

1 采区优化前概况及瓦斯治理措施分析

以山西西山煤电股份有限公司西铭矿（全文简称西铭矿）北七采区为例，解析传统煤炭开采设计和采煤工艺与先进开采设计和自动智能采煤工艺之间的矛盾，探索与分析发展方向，研究解决对策，并推广实践。

1.1 北七采区概况

1.1.1 地质条件

北七采区开采井田下组煤8 号、9 号煤层，其中，8 号煤层储藏稳定，全区可采，平均厚度3.20 m，煤层结构复杂，顶板依次为平均厚度0.5 m 页岩、2.65 m 石灰岩（庙沟灰岩）以及平均厚度8.7 m 石灰岩（中部夹硅质页岩），底板依次为平均厚度0.3 m页岩及平均厚度3.5 m 中细砂岩；9 号煤层储藏稳定，全区可采，平均厚度3.6 m，顶板为8 号煤层底板，底板依次为平均厚度3.3 m 砂质页岩与平均厚度5.0 m 中细砂岩。

1.1.2 采区瓦斯地质条件

北七采区煤层埋藏深度自东南向西北逐渐增大，煤层瓦斯含量从东南向西北逐渐增大，8 号煤层原始瓦斯含量为8～11 m3/t；开采期间绝对瓦斯涌出量为25～40 m3/min，相对瓦斯涌出量为5～7 m3/t；9 号煤层原始瓦斯含量为4～6 m3/t，回采期间绝对瓦斯涌出量为3～6 m3/min，相对瓦斯涌出量为2～4 m3/t，均无煤与瓦斯突出危险，具有煤尘爆炸性，为Ⅱ级自燃煤层，地温正常。

1.2 瓦斯治理措施分析

北七采区8 号煤层瓦斯来源主要是本煤层、下邻近层（9 号煤）、上邻近层顶板裂隙带瓦斯；9 号煤层瓦斯来源主要是本煤层与采空区瓦斯，矿井在8号煤层工作面采用本煤层打钻抽采（抽采本煤层瓦斯）+8 号煤层下行穿9 号煤层钻孔（部分抽采下邻近层9 号煤层瓦斯）+顶板裂隙走向长钻孔（孔径Φ120 mm 钻孔抽采采空区顶板裂隙带瓦斯）+横川插管抽采（横川间距100 m、管径Φ630 mm 抽采采空区瓦斯）相结合的瓦斯治理措施。在配风量2 000 m3/min 时，瓦斯抽采量为18～23 m3/min，风排瓦斯量为8～12 m3/min，回风流瓦斯浓度在0.5%～0.8%之间，回风上隅角瓦斯处于临界态，瓦斯治理效果不理想，突出体现在下邻近层瓦斯治理不彻底，未实现全覆盖预抽；本煤层抽采设计不合理，初采未采、构造区域未加密布孔；本煤层瓦斯预抽彻底，煤层钻孔未增透，预抽不达标；顶板高位裂隙孔设计层位不合理，钻孔打设在顶板冒落带，未打至裂隙带；插管抽采间距大且端头顶板冒落不充分，回风隅角风流处于微出风状态，造成回采上隅角经常性临界甚至超限，未实现高瓦斯工作面低瓦斯状态下回采。

9 号煤层工作面由于与上覆8 号煤层为近间距煤层，8 号煤层工作面的回采已解放9 号煤层工作面瓦斯，故9 号煤层工作面瓦斯治理主要是回风上隅角悬管抽采与风排治理瓦斯，治理效果较为理想，开采期间上隅角瓦斯浓度为0.3%～0.5%之间，回风流瓦斯为0.3%～0.4%之间（9 号煤层采煤工作面瓦斯治理抽采系统图见图1）。

图1 采区优化后开采设计与瓦斯治理对策

为适合煤炭开采技术革命的需要，决定实施大采区、大采长、大走向、智能化开采技术，并针对由于开采设计与装备技术的变化引起的瓦斯涌出的变化，研讨与探索立体、分源、精准式综合瓦斯治理对策。

2 优化设计后瓦斯治理对策

针对大采长、长走向、大储量、智能化开采技术的发展现状，本着瓦斯治理以“超前治理为核心、采中治理为补充”的原则，在瓦斯治理对策进行了研究、优化。

2.1 瓦斯治理措施及分析

长采长、大储量工作面在瓦斯原始含量不变前提下，绝对瓦斯涌出量呈现增加趋势，达到35～50 m3/min，为此，采取瓦斯预抽与治理措施：

1）施工底抽巷。在8 号煤层2 个工作面之间的煤柱（煤柱宽度40 m）9 号煤层中设计施工底抽巷，然后底抽巷中利用ZDY10000LPS 型定向钻机，向两侧施工9 号煤本煤层钻孔，钻孔间距6 m、钻孔与巷道中线夹角成90°、孔径Φ113 mm、孔深315 m，并且每个钻孔均采取CO2预裂技术，增加煤层解吸与透气性；9 号煤低抽巷抽采钻孔预抽瓦斯量为6～8 m3/min，有效解决了开采期间下邻近层由开采卸压大量瓦斯解吸涌入工作面及采空区问题。

2）施工本煤层钻孔。在8 号煤层工作面回风顺槽内采用水力割缝增透技术施工本煤层钻孔，工作面初采末采100 m 范围内、距断层中心位置两侧30 m 范围内、陷落柱区域内以及工作面坑透异常区域进行加密钻孔施工，间距为6 m，其余正常区域本煤层钻孔间距8 m 布置。第一个本煤层钻孔决定从切眼向外6 m 处开始布置，钻孔与巷道中线夹角成90°，钻孔的倾角为4°～6°，钻孔孔径Φ113 mm；钻孔的深度按切眼长度减15 m 设计，则本煤层钻孔深度为315 m，经实测本煤层钻孔预抽瓦斯量10～15 m3/min。

3）施工顶板走向高位大孔径长钻孔。在工作面回风顺槽每500 m 施工一个宽8 m，深5 m，高3.2 m的钻场，每个钻场施工6 个距回风顺槽煤壁30～80 m 之间，垂高40～60 m 之间的直径为Φ203 mm、长度为600 m 的顶板裂隙走向大孔径钻孔，主要是抽采因开采造成上邻近层由于开采卸压解吸而释放至采空区的瓦斯，进而降低采空区瓦斯流向工作面及回风上隅角的瓦斯量，防止回风上隅角瓦斯超限，经实测，顶板裂隙走向大孔径长钻孔抽采量6～8 m3/min。

4）施工顶板高位裂隙大孔径钻孔。在瓦斯治理巷每隔20 m 施工一组两个高位裂隙带大孔径顶板钻孔（钻孔终孔伸入工作面水平投影距离至少30 m），切眼向外40 m 处开始施工，钻孔孔径Φ165 mm，每个钻场布置2 个孔，1 号、2 号孔开孔位置在巷道顶、帮交界处成扇形布置，钻孔终孔垂高取40～50 m 之间；钻孔倾角为40°、44°，钻孔与巷道夹角为30°、41.2°，孔深60～80 m 之间，即终孔位置处于采煤工作面回风侧端头裂隙带范围内，重点是抽采回风上隅角裂隙带及采空区瓦斯，经实测，高位裂隙带大孔径钻孔抽采量3～5 m3/min。

5）施工超大孔径煤岩柱钻孔。在瓦斯治理巷向准备回采工作面回风顺槽内施工Φ500 mm 大孔径煤岩层钻孔代替横川抽采，工作面切割向外300 m以及停采线以里150 m,钻场间距20 m，钻孔间距5 m，其余巷道段，钻孔间距18 m，钻孔与巷道中线夹角呈120°，钻孔深度为40～60 m，从而彻底解决了回风上隅角在回采期间瓦斯超限现象，实现了安全回采，经实测，工作面在回采期间超大孔径煤岩柱孔瓦斯抽采量3～5 m3/min。

2.2 瓦斯治理对策效果分析

采取措施后，经抽采效果预测及实际瓦斯参数测定，分析如下：

1）工作面吨煤瓦斯含量降低，吨煤瓦斯含量可降至5 m3/t。8 号煤层长采长、大储量工作面的瓦斯原始含量8～11 m3/t，瓦斯储量833 万m3，本煤层抽采浓度为45%，抽采纯瓦斯流量10～15 m3/min，混合瓦斯流量15 m3/min。工作面回采前可预抽采瓦斯总量136.08 万m3，吨煤瓦斯含量可降至5 m3/t＜8 m3/t，符合要求。

2）工作面本煤层钻孔预抽率提高，瓦斯预抽率为45%。根据瓦斯抽采达标评判实施细则，煤层瓦斯预抽率为45%＞30%，符合要求。

3）工作面开采前吨煤可解析瓦斯量提升。根据《煤矿瓦斯抽采基本指标AQ 1026—2006》相关要求，采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量Wj依据如下计算并经实际参数测定，工作面瓦斯可解吸量为4.75 m3/t，采煤工作面预计日产量6 500 t，煤层瓦斯可解吸量符合要求。

4）工作面总体抽采率提高。根据公式进行计算，工作面瓦斯抽采率ηm=80.99%＞40%（工作面瓦斯抽采量19 m3/min，绝对瓦斯涌出量50 m3/min）。

总之，采煤面瓦斯涌出量降低，瓦斯抽采率提升，总体抽采瓦斯量43～45 m3/min，风排瓦斯量5～7 m3/min。

3 效果分析

超长壁采煤面瓦斯治理措施的创新，通过采取“本煤层水力割缝钻孔抽采+底抽巷下邻近层CO2预裂抽采+顶板高位走向大孔径长钻孔抽采+顶板裂隙高位走向大孔径抽采+瓦斯治理巷超大孔径煤岩柱钻孔抽采”相结合的立体式、分源式、精准式综合瓦斯治理措施取得了显著的比较效益。

4 结论

随着煤炭开采科技革命的全面变革，煤炭开采设计、装备提升、灾害治理也必将迎来重大变革：一是大采区、大采长、大走向、大储量工作面必将成为未来开采设计的方向，可提高工作面单产水平；二是数字化、信息化、智能化相结合，也必将成为未来煤炭采掘工艺改革方向，安全生产具有多重保障；三是在瓦斯治理上超前采取立体式、分源式、精准式综合瓦斯治理措施，将实现高瓦斯工作面低瓦斯状态下生产的全新标准。