下霍煤矿2308综放工作面瓦斯治理技术的应用

李 恒

（山西三元煤业股份有限公司下霍煤矿，山西 长治 046000）

我国煤与瓦斯突出事故约占煤矿事故总数的62%[1-3]。受地质构造影响，我国各大矿区地质条件存在较大差异，导致矿井瓦斯赋存、聚集情况大不相同。科学准确地对瓦斯来源及瓦斯涌出量进行分析和预测，是制定针对性瓦斯治理措施和确保瓦斯治理效果的关键因素[4]。李景润等通过对上隅角瓦斯聚集原因的分析，采用上插管抽采技术有效治理了文家坡煤矿4105综放工作面上隅角瓦斯聚集问题[5]。任彦文等基于对回采面瓦斯涌出源和上隅角瓦斯来源的分析，采用顶板高位钻孔和埋管抽采对镇城底矿22618工作面瓦斯进行治理，取得了较好效果[6]。王磊基于对工作面瓦斯涌出特征的分析，提出了抽采巷穿层钻孔和埋管抽采的瓦斯综合治理措施，有效降低了上隅角瓦斯体积分数[7]。上述研究成果为回采工作面瓦斯治理提供了一定的借鉴和参考，但不同矿区瓦斯赋存特征各有不同，瓦斯治理需根据矿井实际条件进行调整。以山西三元煤业股份有限公司下霍煤矿（简称“下霍煤矿”）2308综放工作面为研究对象，对工作面回采期间瓦斯来源进行分析，提出采用“裂隙带高位钻孔抽采+上隅角埋管抽采”瓦斯综合治理措施对下霍煤矿2308综放工作面回风流瓦斯体积分数高及上隅角瓦斯聚集问题进行治理，为煤矿安全高效生产提供了保障。

1 工程概况

下霍煤矿现开采3#煤层，开采标高为+720～+390 m，生产规模为240 万t/a。矿井采用分区式通风方式，机械抽出式通风方法。3#煤层厚度3.68～6.75 m，平均厚度5.21 m。2308 综放工作面位于3#煤层二采区，东为2306工作面采空区，东南为2307工作面采空区，北邻三采区3301工作面。2308工作面煤层平均厚度5.0 m，倾角0～12°，工作面沿煤层走向布置，工作面切眼长204.8 m，工作面回采长度646 m。3#煤层百米钻孔初始瓦斯流量为0.067 5 m3/（min·hm），透气性系数为0.288 m2/（MPa2· d），瓦斯流量衰减系数为0.040 1 d-1，2308 工作面采用U 型通风方式，未布置高抽巷及尾巷。

2308 工作面直接顶为泥岩、砂质泥岩，平均厚度2.97 m；基本顶为各种粒度砂岩，平均厚度5.86 m；老顶为砂质泥岩、粉砂岩，平均厚度为11.72 m；直接底为泥岩、砂质泥岩，平均厚度0.70 m；老底为细粒砂岩、粉砂岩，平均厚度为3.36 m。2308 工作面煤层及其顶底板基本情况见表1。

表1 2308工作面顶底板基本情况顶底板

2308工作面割煤高度2.8 m，放煤高度2.2 m，采放比1.22∶1。受综放开采割煤高度的影响，工作面放顶煤期间，顶煤的快速垮落导致煤岩体内部大量瓦斯等有毒有害气体涌出，造成工作面回风流瓦斯体积分数超限及上隅角瓦斯聚集，严重制约了工作面回采安全。

2 工作面瓦斯涌出量分析

在对综放放顶煤工作面瓦斯涌出量预测时通常采用相对瓦斯涌出量qc进行表达，主要由四部分组成：割煤瓦斯涌出量q1、放顶煤瓦斯涌出量q2、采空区瓦斯涌出量q3及邻近层瓦斯涌出量q4[3]。因此，以24 h为一个预测单元，回采工作面相对瓦斯涌出量可通过式（1）进行计算：

2.1 割煤相对瓦斯涌出量

割煤相对瓦斯涌出量可通过式（2）进行计算[8]：

式中，K1为围岩瓦斯涌出系数，取1.3；K2为采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数；L为工作面长度，取204.8 m；h为掘进巷道预排等值宽度，取15.4 m，得K2=0.85；Kfi为分层开采第i 分层瓦斯涌出影响系数，取决于煤层分层数量和顺序，若无分层开采该值取1，2308工作面无分层开采，Kfi=1；m1为割煤高度，取2.8 m；M为开采煤层厚度，取5.0 m；W0为回采前煤体瓦斯含量，取4.90 m3/t；Wc为运出矿井后煤的残存瓦斯含量，取2.43 m3/t。将上述数据代入式（2）计算可得2308工作面割煤相对瓦斯涌出量q1=1.53 m3/t。

2.2 放顶煤相对瓦斯涌出量

放顶煤相对瓦斯涌出量可通过式（4）进行计算[8]：

式中，K3为放落煤体破碎度对放顶煤瓦斯涌出影响系数，取0.9；m2为放顶煤高度，取2.2 m。将上述数据代入式（4）可得放顶煤相对瓦斯涌出量q2=1.08 m3/t。

2.3 采空区相对瓦斯涌出量

采空区相对瓦斯涌出量可通过式（5）和（6）进行计算[5]：

式中，K4为留煤瓦斯涌出不均衡系数，取1.5；K5为综放工作面平均回采率，Kj为机采回采率，取0.95；Kf为放顶煤回采率，取0.90，将上述数据代入式（5）计算可得采空区相对瓦斯涌出量q3=0.27 m3/t。

2.4 邻近层相对瓦斯涌出量

邻近层相对瓦斯涌出量可通过式（7）和（8）进行计算[5]：

式中，mi为第i个邻近层煤层厚度，m；M为工作面采高，m；Woi为第i个邻近层煤层原始瓦斯含量，m3/t；Wci为第i邻近层煤层残存瓦斯含量，m3/t；ηi为邻近层瓦斯排放率，%；hi为第i个邻近层与开采层垂直距离，m；根据下霍煤矿生产实际，上述各计算参数取值及2308工作面邻近层相对瓦斯涌出量计算结果见表2。

表2 开采层影响范围内邻近层瓦斯涌出量计算表

根据上述计算结果可知，2308工作面割煤瓦斯涌出q1=1.53 m3/t，放顶煤瓦斯涌出量q2=1.08 m3/t，采空区瓦斯涌出量q3=0.27 m3/t，邻近层瓦斯涌出量q4=0.25 m3/t，则根据式（1）计算可得2308 工作面日产量6 979 t 时，相对瓦斯涌出量qc=1.53 m3/t+1.08 m3/t+0.27 m3/t+0.25 m3/t=3.13 m3/t，绝对瓦斯涌出量为15.17 m3/min。

3 瓦斯治理方案设计

通过分析2308工作面瓦斯涌出源及涌出量可知，割煤瓦斯相对涌出量为1.53 m3/t，占工作面瓦斯总涌出量的48.88%；放顶煤瓦斯涌出量为1.08 m3/t，占工作面瓦斯总涌出量的34.50%。可见，割煤和放顶煤是2308工作面瓦斯涌出的主要来源，这也是导致工作面回风流瓦斯体积分数超限和上隅角瓦斯聚集的主要原因。基于上述分析结果，设计采用“顶板高位钻孔抽采为主、上隅角埋管抽采为辅”的工作面瓦斯综合治理措施。

3.1 顶板高位钻孔瓦斯抽采

为解决开采煤层瓦斯涌出问题，在2308工作面回风顺槽内每隔50 m施工一个顶板裂隙带钻场硐室，尺寸为3 m×2.4 m×3 m（宽×高×深），每个钻场内布置5个钻孔，孔间距为800 mm，钻孔呈扇形布置，开孔位置距巷帮1 200 mm，孔径110 mm，孔深60 m。顶板高位钻孔布置如图1所示。

图1 顶板高位钻孔布置图

3.2 上隅角插管抽采

针对2308工作面上隅角瓦斯积聚问题，设计采用上隅角采空区插管抽采的方法进行针对性治理。插管选用直径220 mm 的铁花管，插入工作面上隅角位置，且保证插管深度不小于2 m，并采用沙袋和黄泥对上隅角进行封堵，以弧形与巷道顶板和巷帮严密结合。此外，需确保煤袋墙位置与工作面支架顶梁尾部对齐，煤袋墙长度需由上隅角位置一直延伸至工作面支架位置。为确保上隅角瓦斯抽采效果及可控性，在上隅角瓦斯抽采管路处需安设阀门、滤网、孔板及排渣三通等设施。上隅角瓦斯抽采管路与工作面主抽采管路连接，并通过井下固定瓦斯抽采泵进行抽采。2308工作面上隅角插管抽采布置如图2所示。

图2 上隅角插管抽采布置图

4 工作面瓦斯治理效果评价

为掌握采用顶板高位钻孔抽采为主、上隅角埋管抽采为辅的瓦斯综合治理措施对2308 工作面瓦斯治理效果，对工作面回采期间回风流及上隅角瓦斯体积分数进行监测，监测结果如图3所示。

图3 上隅角及回风流瓦斯体积分数变化曲线

由图3可知，在为期20 d的监测时期内，上隅角及回风流瓦斯体积分数变化曲线总体上呈锯齿状特征。究其原因是因为受回采工作面采动影响，围岩应力平衡状态被打破，在应力作用下煤岩层内部裂隙不断扩展和发育，为瓦斯运移提供了通道。此外，工作面每次割煤及放顶煤期间，上隅角及回风流中瓦斯体积分数都会出现剧烈增大现象。工作面回采期间，上隅角及回风流中瓦斯体积分数最大值分别为0.68%和0.41%，最小值分别为0.34%和0.24%，平均值分别为0.54%和0.33%。此外，2308 综放工作面在顶板高位钻孔抽采期间，抽采主管路抽采流量在28.54～41.06 m3/min，抽采主管路内瓦斯抽采最大体积分数为3.05%，平均瓦斯抽采体积分数为2.18%。由此可见，采用顶板高位钻孔抽采为主、上隅角埋管抽采为辅的瓦斯综合治理措施后，2308工作面上隅角及回风流瓦斯体积分数均满足工作面安全生产的要求，瓦斯治理效果显著。

5 结语

1）基于下霍煤矿2308综放工作面生产地质条件，分析指出工作面瓦斯涌出量由割煤瓦斯涌出量、放顶煤瓦斯涌出量、采空区瓦斯涌出量和邻近层瓦斯涌出量四部分组成，通过对各部分瓦斯涌出量的预测，指出割煤和放顶煤瓦斯涌出量是工作面瓦斯涌出的主要来源。

2）基于2308工作面瓦斯来源分析结果，提出了顶板高位钻孔抽采为主、上隅角埋管抽采为辅的瓦斯综合治理措施，并给出了具体布置方案。

3）现场应用结果表明：工作面回采期间，上隅角及回风流中瓦斯体积分数最大值分别为0.68%和0.41%，最小值分别为0.34%和0.24%，平均值分别为0.54%和0.33%。所采用的瓦斯治理措施有效治理了2308工作面回风流瓦斯体积分数超限、上隅角瓦斯聚集的问题，为工作面安全生产提供了保障。