云冈煤矿8413 工作面瓦斯赋存规律及抽采技术研究

陈 雁

（晋能控股煤业有限公司云冈矿，山西 大同 037017）

0 引言

我国煤矿开采技术无论是自动化水平、科技水平还是行业的安全系数、灾害预防等方面都取得了快速进步，但作为煤矿重大危险源之一的瓦斯，仍无时无刻不在威胁着从业人员的生命安全，一旦发生瓦斯爆炸事故，就可能造成重大人员伤亡及经济损失的负面影响。因此，对于瓦斯矿井尤其是高瓦斯矿井，在瓦斯危害的防治方面应加倍重视，注重实效，保障安全[1-3]。云冈煤矿为高瓦斯矿井，尤其12 号煤层404 盘区鉴定为高瓦斯盘区，瓦斯防治压力极大，针对云冈煤矿8413 工作面瓦斯赋存规律及抽采技术进行研究，从而获得成功的治理经验，保障矿井安全生产。

1 工程概况

云冈煤矿位于山西省大同市云冈镇，采用一次设计、分期投产的方式，当前核定生产能力为120 万t/a。地质说明书显示，8413 工作面位于12 号煤层404 盘区，是该盘区的首采面。工作面采用综合机械化采煤工艺，走向长壁采煤法，工作面走向长度为800 m，倾向长度为162 m，煤层厚度平均为2.2 m，一次采全高。经矿井瓦斯等级鉴定，404 盘区绝对瓦斯涌出量19.8m3/min，相对瓦斯涌出量2.7 m3/min，预测8413 工作面在回采期间的绝对瓦斯涌出量介于5～6 m3/min，同时，根据工作面巷道掘进期间掌握的瓦斯情况，煤层整体瓦斯压力较大，施工瓦斯钻孔时，测得瓦斯浓度在10%以上。在实际回采过程中，工作面上隅角瓦斯极易超限，瓦斯浓度曾达到0.7%，回风巷瓦斯浓度达到0.28%，工作面整体的瓦斯平均涌出量达到3.7 m3/min，瓦斯防治压力较大。

2 瓦斯赋存规律研究

对瓦斯赋存规律进行研究是实施瓦斯治理的先决条件，依据云冈井田瓦斯地质勘探资料、瓦斯鉴定资料以及各类瓦斯数据，对矿井及工作面的瓦斯赋存规律进行研究。

1）井田范围内瓦斯赋存规律。云冈井田瓦斯赋存呈现明显的条带性，条带为北西向，从井田中部延伸至北部的上深涧，条带中瓦斯含量最高为6 m3/t，具体到该矿井在301、402、404、406 盘区均表现出较高浓度的瓦斯，尤其是404 盘区12 号煤层，瓦斯相对涌出量高达61.6 m3/t。

2）地质结构影响瓦斯赋存。瓦斯的赋存、聚集与运移受地质作用的影响较大，一是云冈井田内存在9个较大的穹窿构造，具备较强的储气能力，尤其是在向斜区域，其顶部闭合，封闭性好，储气能力更强，为瓦斯赋存创造了条件，在采掘工作揭露时，瓦斯会大量涌出，造成超限。二是断层构造影响瓦斯赋存，云冈矿断层较为发育，最大断层落差达到60 m，8413 工作面分布断层也较多，共14 条1 m 以上的断层，断层带附近易吸附瓦斯，且封闭性强，不易流失，在断层揭露后，瓦斯容易迅速延断层线的通道进行运移。

3）陷落柱影响瓦斯赋存。云冈矿位于陷落柱较为发育的井田，目前已揭露近100 个各类型陷落柱，其规模及形状不等，影响瓦斯赋存的原因在于陷落柱导通含水层，这些裂隙也会利于瓦斯的运移及排放，尤其是巷道开挖或工作面推采接近时，瓦斯会迅速涌入采掘空间内。

4）煤层赋存深度影响瓦斯赋存。研究结果表明，煤层埋藏深度的增加，瓦斯含量呈增长趋势，但随深度增加，瓦斯含量增长趋势逐渐减缓，当深度增加到一定程度，瓦斯含量会接近于一个固定值后，基本不再增加。

3 瓦斯联合抽采方案设计及应用

根据相关参数，如煤层透气性，施工钻孔后瓦斯的衰减系数、瓦斯压力等，可以判断煤层瓦斯抽放的难易程度，如易抽放煤层、可抽放煤层及难抽放煤层[4-8]，8413 工作面经综合测算为可抽放煤层，可以实施瓦斯抽采，需要针对相应技术难点制定联合抽采方案。

3.1 12 号煤层瓦斯抽放及应用

12 号煤层瓦斯抽放为本层抽采，抽放泵站设置在404 盘区大巷硐室内，抽放泵型号为2BEC50，共2 台，用一备一，抽放泵功率为280 kW，额定流量为210 m3/min。抽放管路（Φ200 mm）经大巷、联络巷进入8413 工作面回风巷，然后转换成2 路Φ132 mm 抽放软管，软管敷设在巷道顶部，软管在工作面采空区与上隅角处交替使用，随时保证有一路软管能够进行瓦斯抽放，系统布置如图1 所示。同时，抽放管路进入采空区后，及时在上隅角处设置沙袋墙，增强采空区密闭性，防止漏风，提高抽采效率。随着工作面不断向前推进，周期性的回撤Φ200 mm 瓦斯抽采主管路，并割断埋入采空区的软管，依次向外推进。

图1 12 号煤层瓦斯抽放系统示意图

3.2 8 号煤层瓦斯抽放及应用

8413 工作面回采后，顶板垮落，向上发展后上覆岩层出现大量裂隙，将会导通上部8 号煤层回采形成的采空区，上部采空区封闭后，其中蕴含着大量的瓦斯，易沿裂隙涌入本工作面，造成瓦斯积聚并超限。因此需要对上部8 号煤层采空区内的瓦斯进行抽排。设计的抽采方案是在上部8415 工作面回风巷密闭墙处安装管路，管路接至8 号煤层404 盘区的瓦斯抽放泵站，抽放泵型号为XWY 型，功率为160 kW，额定流量为110 m3/min，用一备一，主管路为Φ208 mm，直接接入密闭墙内进行抽放。

3.3 钻孔施工工艺

钻孔施工选用MKD-5S 钻机，液压传动，钻孔深度为100～250 m，终钻直径为150～200 mm，给进能力大于100 kN，钻孔倾角为0°～±90°，功率大于36 kW。正确安装机械、液压和电气等，送电，钻机进行空载试车。在钻机主轴头上拧上钻杆、水便头和钻头，接上水管后调好钻机的旋转速度，快速推进使钻头接近开孔处，启动水泵供水，孔口返水后钻机钻进。钻进过程中根据不同的岩性及硬度，选择合理的旋转和推进速度。采用聚氨酯封孔法，封孔深度不低于5 m，岩孔深度不低于3 m。

3.4 瓦斯抽放效果分析

自工作面回采至240 m 处，采用12 号煤层瓦斯抽放，在工作面上隅角埋管抽放瓦斯，一直将瓦斯浓度（体积分数，下同）控制在0.4%以内，同时统计其15 d 的瓦斯抽放数据，共抽放360 h，平均流量为90 m3/min，共计抽放瓦斯为17 800 m3，总体抽放效果较好。在8 号煤层进行瓦斯抽放，密闭墙处排气孔瓦斯浓度初始为1.5%，抽放开始后逐渐升至3.0%，统计其15 d 的瓦斯抽放数据，共抽放360 h，平均流量为61 m3/min，共计抽放瓦斯为22 360 m3，抽放效果极为显著，达到预期标准。

4 结语

对高瓦斯矿井来说，瓦斯抽采是极其重要的一项工作，依据云冈矿8413 工作面的具体地质条件，研究其瓦斯赋存规律，受地质构造、陷落柱、断层等因素影响，制定针对性的瓦斯抽采方案，制定了在12 号煤层及8 号煤层联合抽采方案，工作面上隅角瓦斯浓度控制在0.4%以内，两处瓦斯抽放数据均达到预期标准，保障了矿井安全生产。