鹿台山矿综采面煤层瓦斯问题分析与治理措施

杨程轲

(山西煤炭进出口集团 鹿台山煤业有限公司，山西 晋城 048200)

煤炭在我国当前能源消费结构中占据重要的地位，相关资料显示，长期以来我国的煤炭能源消费整体呈上升趋势，在能源消费总量中，煤炭占比在50%以上[1-2]。随着煤炭需求量的持续增加，浅部煤炭储量逐渐减少，煤炭开采向深部转移，瓦斯含量高、开采难度大成为困扰各大煤企的难题。为解决瓦斯事故对煤矿开采的制约，我国大力推广瓦斯抽采技术，实施煤层瓦斯抽采，降低瓦斯压力、含量，有效防治瓦斯灾害，同时，抽采的瓦斯还可作为能源进行利用[3]。针对瓦斯灾害防治问题，专家学者进行了一系列研究，目前已经形成了采前预抽、边采边抽及采后抽采等方法为一体的综合抽采瓦斯技术[4]。

1 工程背景

鹿台山矿位于山西晋城沁水县，批准开采2～15号煤层，目前主采2号煤层，其中2205综采面位于矿界北部，属于二采区，工作面埋深298～316 m，南部与采区巷道相连，西部、北部为实煤体，东部为2203采空区，工作面开采区域煤层呈东西走向，煤层平均倾角6°，平均厚度1.97 m，结构简单，含1～2层夹矸，煤层局部存在伪顶，伪顶为0.1～0.5 m厚的炭质泥岩，直接顶为2.89 m厚的砂质泥岩，基本顶为砂岩、泥岩互层结构，直接底为3.5 m厚的泥岩。鹿台山矿属高瓦斯矿井，煤层不易自燃，煤尘无爆炸性危险，矿井采用抽出式通风方法，中央并列式通风方式，总风量3 253 m3/min。矿井勘探资料显示，鹿台山矿2号煤层瓦斯储量437.11×106m3，可抽采储量54.61×106m3，煤层的平均瓦斯压力为0.47 MPa，平均透气性系数3 223 8 m2/MPa2·d。根据预测，主采的2号煤层的最大相对瓦斯涌出量14.68 m3/t。

2 综采面煤层瓦斯问题分析

煤炭开采过程中瓦斯主要来自工作面煤壁、采空区以及邻近层。矿井瓦斯治理的关键问题之一就是瓦斯涌出源头的判别，目前鹿台山矿存在的瓦斯问题主要有：

1) 主采煤层瓦斯放散性能较差、煤层渗透性低。瓦斯赋存状态包括游离态和吸附态，其中吸附态瓦斯占据绝大多数(约80%)。在生产实践中，往往只有游离态的瓦斯能被治理或利用。鹿台山矿主采的2号煤层地质条件复杂，煤层内含泥岩等渗透性低的夹矸岩层导致瓦斯的解吸、放散受到制约，吸附态的瓦斯难以转化为游离态的瓦斯，同时夹矸岩层还可造成局部瓦斯压力大，进一步阻碍了吸附态瓦斯的转化，由此导致鹿台山矿主采煤层瓦斯放散性能较差。虽然鹿台山矿2号煤层平均透气性系数为3.223 8 m2/MPa2·d，属于可抽采煤层，但煤层内含的夹矸岩层进一步降低了煤层渗透性，导致游离态的瓦斯难以释放，瓦斯抽采效率得不到明显改善。

2) 采空区瓦斯涌出量大。受采掘技术影响，工作面回采后将遗留部分煤炭资源进入采空区，遗留煤炭的瓦斯涌出是导致采空区瓦斯浓度大的一个主要因素。2号煤层顶板和底板存在不可采煤层，2号煤层工作面回采后，受采动卸压影响，2号煤层不可采煤层破碎，瓦斯得到卸压并逐渐释放，进一步加大了采空区瓦斯涌出，此外工面煤壁的瓦斯涌出在负压通风作用下也有可能进入采空区。

3) 工作面瓦斯超限。相关资料显示，鹿台山煤矿主采的2号煤层相对瓦斯涌出量最大为14.68 m3/t，易导致工作面瓦斯出现超限现象，尤其是工作面回风隅角瓦斯聚集问题。鹿台山煤矿曾因回风隅角瓦斯超限多次中断生产。工作面回风隅角瓦斯聚集主要是由采空区漏风问题导致，受通风系统的制约，回风隅角是风流流场薄弱环节，易出现瓦斯聚集，同时采空区瓦斯涌出进一步加大了回风隅角瓦斯治理难度。

3 低渗透煤层瓦斯治理措施与效果检验

3.1 瓦斯治理措施

鹿台山矿主采2号煤层存在的瓦斯问题主要有：主采煤层瓦斯放散性能较差、煤层渗透性低、采空区瓦斯浓度大、工作面瓦斯频繁超限、回风隅角瓦斯聚集等，导致鹿台山矿瓦斯治理极为困难，为此提出低渗透煤层瓦斯治理措施，主要包括：

1) 通风系统优化。传统的U型通风导致工作面回风隅角成为风流流场薄弱环节，甚至可能加剧回风隅角瓦斯聚集，因此鹿台山煤矿设计采用Y型通风，即将2205综采面运输巷保留下来用作下一工作面的回采巷道，同时形成Y型通风方式，可有效缓解回风隅角瓦斯聚集问题。U型通风和Y型通风方式下风流流场分布见图1。

图1 U型通风和Y型通风方式下风流流场分布

2) 煤层瓦斯抽采综合技术。设计采用双侧顺层抽采技术，即在工作面两道施工本煤层顺层钻孔预抽煤层瓦斯方法，保证两侧钻孔重叠区域在10 m以上，设计钻孔直径75 mm，据底板1.0 m施工，根据瓦斯抽采半径测试结果，确定钻孔间距3.0 m，上行孔长度设计100 m，下行孔长度设计80 m，见图2。

图2 双侧顺层抽采钻孔布置

3) 采空区瓦斯抽采技术。2205综采面设计采用顶板走向钻孔瓦斯抽采技术，设计钻孔直径75 mm、高度7.0～24.0 m、长度60 m、倾角8～23°，钻孔布置示意如图3所示。

图3 采空区瓦斯抽采技术

3.2 瓦斯治理效果检验

综采面煤层瓦斯治理措施在鹿台山矿2205综采面进行应用后，2205综采面开采区域煤层可将解吸瓦斯量降低至6.4 m3/t以下,综采面瓦斯绝对涌出量为4.8 m3/min, 综采面回风流中瓦斯最大浓度0.46%，满足瓦斯治理要求，实现了鹿台山矿2205综采面瓦斯问题的有效治理。

4 结 语

瓦斯问题是制约煤矿安全高效开采的关键因素，以鹿台山矿2205综采面开采的2号煤层为工程背景，分析了鹿台山矿综采面面临的瓦斯问题，主要包括主采煤层瓦斯放散性能较差、煤层渗透性低、采空区瓦斯涌出量大、工作面瓦斯超限等，基于此，设计了综采面煤层瓦斯治理措施，包括通风系统优化、煤层瓦斯抽采综合技术、采空区瓦斯抽采技术。瓦斯治理措施应用后，实现了综采面瓦斯问题的有效防治。