万峰煤矿高瓦斯工作面瓦斯综合治理技术研究

张红星

（山西金晖 万峰煤矿，山西 孝义 032300）

1 工作面概况

山西金晖万峰煤矿1117 工作面位于一水平一采区南翼轨道上山正西侧，正南为1401 工作面（尚未开掘），正北为1115 工作面（回采结束），正东有南翼轨道、皮带、回风3 条上山。工作面相应地面位置位于高仁村正东部，工作面地表为农田地，地表主要为黄土覆盖，工作面回采对地表无影响。该工作面回采煤层为山西组1 号煤，煤层总厚1.71 m，黑色，半亮煤，煤层厚度稳定，煤层结构复杂，含3 层较稳定的夹矸，属焦煤，1 号煤顶板上距1 上煤2 ～6 m，煤层顶底板岩层情况如图1所示。1117 综采工作面西至切眼，东至南翼轨道上山保护煤柱，南北至上下顺槽，走向长度1 493 m，倾斜长度136 m。井田以副井为界，其南部为一采区，该采区布置有南翼轨道、皮带、回风3 条上山，南翼轨道、回风上山通过联络巷或直接与各回采工作面运输及回风顺槽相联接，形成采区的辅助运输、煤炭运输和通风等生产系统。1117 综采工作面位于一水平一采区西南部，主要由进风顺槽、回风顺槽、切眼以及连接南翼轨道上山的联络巷组成，其中进风顺槽铺设皮带运输机、转载机、乳化泵等设备，主要用于提供新鲜风流、煤炭运输、行人等。回风顺槽安设无极绳绞车等设备，主要用于回风、运料、行人等。切眼主要用于工作面支架、采煤机、刮板输送机的安装。1117进风顺槽、回风顺槽沿1 号煤层顶板掘进，为半煤岩巷道。

图1 综合地质柱状图Fig.1 Comprehensive geological histogram

2 瓦斯涌出量预测及抽采的必要性分析

根据中煤科工集团沈阳研究院有限公司所提交的测试报告，1 号煤层瓦斯基础参数如下：

根据万峰煤矿1 号煤层赋存条件可以看出，1117 工作面主要瓦斯来源为本煤层和邻近层，根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》 中的计算方法，采用下式进行瓦斯涌出量预测计算[1-2]：

式中：q采为相对瓦斯涌出总量， m3/t；q1为本煤层涌出量，m3/t；q2为邻近层涌出量，m3/t。

（1） 开采层相对瓦斯涌出量q1。

式中：k1为巷道围岩瓦斯涌出系数，取1.30；k2为遗煤涌出系数，取1.05；k3为准备巷道预排瓦斯对本煤层瓦斯涌出影响系数，取0.74；M 为煤柱总厚，取1.54 m；m 为采高，取1.7 m；Wo 为开采煤层原始瓦斯含量，为6.90 m3/t；Wc 为残存瓦斯含量，取2.30 m3/t。计算可得q1=4.21 m3/t。

（2） 邻近层相对瓦斯涌出量q2。

式中：mi为第i 个邻近层煤层厚度，m；M 为回采工作面开采高度，m；hi为第i 个邻近层与回采煤层之间的垂直距离，m；Woi为原始瓦斯含量，m3/t；Wci为残存瓦斯含量，m3/t；ηi为瓦斯排放率，%；当邻近层位于冒落带中时ηi=1；当采高小于4.5 的条件下，ηi按图2 选取[3～4]。

图2 近层瓦斯排放率与层间距的关系曲线Fig.2 Relationship curve between near-layer gas emission rate and layer spacing

1 号煤层回采时主要影响邻近层为1 号上煤和2 号煤，其中1 号上煤瓦斯含量Woi取4.36 m3/t，煤层残存瓦斯含量Wci取2.39 m3/t；2 号煤Woi取6.37 m3/t，Wci取1.64 m3/t；3 号和5 号煤参照1 号煤选取，瓦斯含量Woi取6.90 m3/t，煤层残存瓦斯含量Wci取2.30 m3/t。根据表1 计算可得1117 工作面开采期间邻近层总瓦斯涌出量为3.21 m3/t。

表1 邻近煤层相对瓦斯涌出量计算结果汇总Table 1 Summary table of calculation results of relative gas emission from adjacent coal seams

按照日产2 300 t 最大产量进行计算，则经过计算可得：

Wmax= W本煤层+ W邻近层=6.72 m3/min+5.22 m3/min=11.94 m3/min，式中Wmax为工作面最大瓦斯涌出量。

根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》，回采工作面绝对瓦斯涌出量大于5 m3/min 矿井须进行瓦斯抽采。1117 工作面回采期间的瓦斯涌出量预计为11.94 m3/min，为了确保安全生产，设计在1117 工作面进行瓦斯抽采。

3 综合抽采技术设计

3.1 顶板走向定向长钻孔抽采

在1117 回风顺槽共施工4 个定向钻场，钻场宽10 m，深5 m，高3.2 m。设计每个定向钻场共施工5 个φ133 mm 顶板走向定向长钻孔，单孔主孔设计孔深为400 m。钻孔层位处于1 号煤层上部12 ～15 m，内错1107 回风顺槽20 ～40 m，2 组钻孔之间要求搭接不少于50 m，用于抽采1117 回采工作面采空区裂隙带瓦斯。定向钻孔布置如图3 所示，钻孔设计参数见表2。预计1117 工作面顶板定向走向长钻孔可达2.5 m3/min。

表2 1117 回风顺槽顶板走向定向长钻孔施工参数Table 2 Parameter table of 1117 air return gateway roof directional long drilling construction

图3 1117 回风顺槽顶板走向定向长钻孔施工示意Fig.3 Directional long drilling construction of roof strike in 1117 return air crossheading

3.2 上邻近层钻孔抽采

1117 进风顺槽掘进方向左帮施工高位钻场（位于1 号上煤层），高位钻场间距均为160 m，施工期间执行石门揭煤措施。每个高位钻场内设计施工20 ～35 个钻孔，钻孔直径94 mm，钻孔开孔间距0.4 m，钻孔深度76 ～100 m。以28 个扇形钻孔为例，钻孔参数见表3（钻孔倾角根据施工地点煤层赋存情况进行调整）。预计1117 工作面上邻近层钻孔瓦斯抽采量可达0.66 m3/min。

表3 1117 进风顺槽高位钻场1 号上煤钻孔参数Table 3 Parameter table of No.1 upper coal borehole in high drilling field of 1117 air inlet crossheading

3.3 上隅角埋管抽采

结合相似工作面上隅角瓦斯治理成功案例，在上隅角位置采用“双埋管法”对采空区瓦斯抽采效果较好，因此在1117 工作面沿用双埋管抽采技术，①浅部埋管：浅管布置在回风顺槽实体煤壁一侧，管口与采空区切线距离控制在10 m 之内；②深部埋管：管路布置在回风顺槽靠近区段煤柱一侧，管口与采空区切线距离控制在20 m 之内；布置详情如图4 所示，根据其他回采面抽采经验，预计双埋管法抽采量4.0 m3/min。

图4 1117 回采面上隅角双埋管法抽采示意Fig.4 Double buried pipe method extraction schematic of 1117 mining face upper corner

3.5 抽采效果分析

预计1117 工作面回采期间瓦斯抽采量为2.5+0.66+4+0.5=7.66 m3/min，工作面回采期间最大瓦斯涌出量为11.94 m3/min，则风排瓦斯量11.94-7.66=4.28 m3/min。瓦斯抽采率为64.2%，符合《煤矿瓦斯抽放基本指标》规定的50%以上抽采率，可保障工作面的生产安全。

4 结 语

为了将万峰煤矿1117 综采工作面瓦斯浓度降至安全浓度以下，通过理论计算预测工作面瓦斯涌出量，确定工作面必须进行瓦斯抽采，提出顶板长钻孔抽采采空区裂隙带瓦斯、倾斜钻孔抽采上邻近层瓦斯、双埋管抽采采空区上隅角瓦斯、顺层钻孔抽采本煤层瓦斯综合治理技术，预计瓦斯抽采率可达到64.2%，符合相关规定的要求，实现工作面的安全生产。