厚煤层综采工作面瓦斯涌出规律及治理技术研究

摘 要：为探究厚煤层综采工作面瓦斯来源构成及涌出规律，以某矿2501工作面为研究对象，采用理论分析和现场实测相结合的研究方法，对该工作面瓦斯来源和涌出规律进行分析。研究结果表明，工作面瓦斯浓度自进风侧向回风侧总体呈增大的趋势，且在60#～220#支架范围内瓦斯涌出量较大。本文提出采用本煤层顺层钻孔抽采+顶板走向高位钻孔抽采+回风隅角埋管抽采并采用本煤层浅孔快速强化抽采方法对工作面主要瓦斯涌出区域进行重点治理的综合瓦斯治理技术，有效降低了煤层残余瓦斯含量，解决了回风隅角瓦斯超限问题，确保了工作面安全高效生产，为类似条件工作面瓦斯治理提供了一定的参考和借鉴。

关键词：厚煤层；瓦斯来源；瓦斯浓度；治理措施

中图分类号：" "TD 712 文献标志码：A

1 工程概况

甘肃某矿2501工作面位于二盘区东翼南部。工作面走向长1060m（平距），倾斜宽301m（平距），回采平面积约316355m2；工作面标高415.1m～458.2m，埋深641.2m～761.8m。2501工作面地表位于工业广场东北侧，2501工作面切眼位于L0钻孔东北侧242m～383m的沟壑、山林耕地上，停采线位于802和803钻孔东南侧102.1m～353m的山墚塬地上。回采区域内除林地、塬间小路和少量废弃窑洞外，其余皆为塬地沟壑。地面标高为+1056.3m～+1220.0m。

2501工作面位于二盘区，工作面切眼东北部距DF23断层最近距离71m，工作面切眼西北部靠近2202采空区，最近距离为6m；终采线西南距2202联络巷最近距离200m；该工作面东南距井田边界最近距离69m。工作面回采区域上方局部为2201采空区，根据附近钻孔资料和在工作面开展2煤探查工程可知，工作面回采区域范围内2煤与5煤的层间距为3.2m～18m。

根据矿井生产能力及2501工作面对瓦斯涌出量进行预测，2501工作面为瓦斯突出工作面。为确保2501工作面快速推进和生产安全，须对工作面瓦斯构成及涌出规律进行分析，以制定有效的瓦斯治理措施。

2 工作面瓦斯构成及涌出规律分析

2.1 煤层瓦斯含量

根据矿井煤层瓦斯涌出量预测报告可知，2501工作面瓦斯含量与埋深之间成正相关，瓦斯含量随埋深增大而增加，煤层埋深每增加100m，瓦斯含量增加1.9m³/t，瓦斯含量与埋深之间的回归关系如公式（1）所示。

W＝0.019H-0.8126 （1）

式中：W为煤层瓦斯含量；H为煤层埋深。

煤层厚度变化较小，属较稳定大部可采煤层，一采区煤层赋存稳定平缓，断层、褶曲等地质构造不发育。煤层瓦斯含量随着埋深的增加而增加，总体上呈现由井田北部及南部向井田中部逐渐增大的趋势。煤层最大瓦斯含量为11.78m3/t，含量最大值位于一采区中部，该处埋深663m。

2.2 工作面瓦斯来源构成

根据2501工作面瓦斯涌出量预测结果可知，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为21.22m3/min，其中开采层瓦斯涌出量为12.45m3/min，占比高达58.67%；邻近层瓦斯涌出量为5.26m3/min，占比为24.79%；采空区瓦斯涌出量为3.51m3/min，占比为16.54%。由此可见，2501工作面瓦斯来源主要由开采层、邻近层和采空区瓦斯，且以开采层瓦斯为主。当进行瓦斯治理时应优先考虑以本煤层瓦斯抽采为主、邻近层抽采和采空区抽采为辅的综合瓦斯治理方法。

2.3 工作面瓦斯涌出规律分析

为进一步分析2501工作面瓦斯涌出规律，根据2501工作面240m的长度，将其划分为12个单元，每个单元布置1个瓦斯浓度测站，测站间距为20m，每个测站布置4个测点（如图1所示），其中1#、2#、3#和4#测点分别对工作面煤壁、风流中、液压支架尾部和底板瓦斯进行观测。对各测点瓦斯浓度进行现场观测，根据瓦斯与风量平衡方程（公式（2）～公式（4））可获得任一单元内采空区漏风量、瓦斯涌出量以及煤壁和落煤瓦斯涌出量。

Q进+Q1-Q回=0 （2）

q采空区=Q1·c1 （3）

q工作面=Q回·c回-Q进·c进-q采空区 （4）

式中：Q进为工作面进风量；Q回为工作面回风量；Q1为采空区漏风量；q采空区为采空区瓦斯涌出量；c进为进风流中的瓦斯浓度；c回为回风流中的瓦斯浓度；c1为液压支架尾部漏风流中的瓦斯浓度。

2.3.1 沿工作面倾向瓦斯浓度分布特征

图2为根据3#测点瓦斯观测数据绘制的沿工作面倾向瓦斯浓度分布特征图。由图2可知，工作面瓦斯浓度自进风顺槽向回风顺槽侧呈逐渐增大的变化特征，且在60#～220#支架范围内瓦斯浓度增长速率较快，说明该区域为工作面主要瓦斯涌出源。

2.3.2 支架尾部及底板瓦斯浓度分布特征

图3为根据2#和4#测点瓦斯观测数据绘制的液压支架尾部及底板瓦斯浓度分布特征图。由图3可知，液压支架尾部及工作面底板处的瓦斯浓度均小于2%，瓦斯浓度均较低。这是因为2501工作面沿煤层底板布置，采用综采一次采全高采煤方法，工作面煤炭回采率高，采空区遗煤少，采空区瓦斯涌出量较低。结合2501工作面瓦斯来源主要为开采层瓦斯，邻近层瓦斯涌出量仅为工作面瓦斯涌出量的13.05%，因此可以基本忽略上下邻近层的瓦斯涌出量。

2.3.3 煤壁瓦斯浓度分布特征

图4为根据1#测点瓦斯观测数据绘制的工作面煤壁瓦斯浓度沿工作面倾向的分布特征图。由图4可知，工作面煤壁瓦斯浓度自进风顺槽向回风顺槽侧总体呈增大的趋势，在数值上依次出现2个峰值，分别在100#～140#及160#～220#支架之间，且160#～220#支架范围的峰值明显大于100#～140#支架范围的峰值。表明工作面煤壁瓦斯涌出强度沿工作面倾向方向存在2个较强的瓦斯涌出源，且160#～220#支架范围为工作面瓦斯治理的重点区域。

3 工作面瓦斯治理技术

基于前文对2501工作面瓦斯来源构成及涌出规律分析，本文提出采用本煤层顺层钻孔抽采+顶板走向高位钻孔抽采+回风隅角埋管抽采，同时针对工作面60#～220#支架范围采用本煤层浅孔快速强化抽采重点治理工作面主要瓦斯涌出源的综合瓦斯治理技术。

3.1 本煤层顺层钻孔抽采

2501工作面回采前，在工作面胶带顺槽和回风顺槽内垂直于煤壁向工作面施工本煤层顺层瓦斯抽采钻孔，钻孔直径为80mm，长度为160m，钻孔间距为8m，开孔位置距顺槽底板1.5m，封孔长度不小于5m。

3.2 顶板走向高位钻孔抽采

根据2501工作面巷道布置及煤层赋存条件，设计在2501回风顺槽内布置钻场，钻场采用矩形断面，断面尺寸为3.2m×5.0m（高×宽），钻场间距为30m，每个钻场内布置5个顶板走向高位钻孔对上邻近层瓦斯进行抽采，钻孔直径为100mm，孔间距为500mm，孔深为150m，钻孔与水平方向夹角为15°，开孔位置距巷道顶板1.0m，封孔长度为10m。

3.3 回风隅角埋管抽采

2501工作面上行通风导致回风隅角因极易发生瓦斯集聚而发生回风隅角瓦斯超限问题。为解决这一问题，设计采用回风隅角埋管抽采方法对工作面回风隅角瓦斯进行抽采。设计在2501回风顺槽靠近巷帮处布置1根直径为300mm的回风隅角瓦斯抽采钢管，在回风隅角瓦斯抽采钢管上每隔50m布置1个三通阀门，三通阀门上安装1根2.0m长的立管，在回风隅角处的三通阀门上安装1根直径为110mm、长度为35m的钢丝软管，该钢丝软管埋在采空区内，一端与回风顺槽瓦斯抽采管路相连，另一端安装采空区瓦斯抽采器。回风隅角采空区前采用矸石袋进行密闭。

4 瓦斯抽采系统及效果分析

4.1 矿井瓦斯抽采系统及管路

4.1.1 矿井瓦斯抽采系统

该矿井现已在回风立井场地附近建成1座瓦斯抽采泵站，站内安装有瓦斯抽采设备4台，其中2台2BEC72型水环真空泵（1000kW）服务于矿井本煤层（高负压）瓦斯抽采，1台ZR7-750WP型湿式罗茨泵（710kW）及1台2BEC80型水环真空泵（1000kW）服务于矿井邻近层（低负压）瓦斯抽采。

本次设计采用瓦斯抽采泵站的高负压瓦斯抽采系统负担6号煤的本煤层瓦斯抽采任务，低负压瓦斯抽采系统负担6号煤的邻近层与采空区瓦斯抽采任务。

4.1.2 矿井瓦斯抽采管路

4.1.2.1 高负压瓦斯抽采系统管路

地面段和回风立井主管选用ø820mm×8mm的螺旋焊缝钢管，煤层南回风石门和回风大巷干管选用ø630mm×5mm的螺旋焊缝钢管，2501工作面回风顺槽支管选用ø530mm×5mm的螺旋焊缝钢管。

4.1.2.2 低负压瓦斯抽采系统管路

地面段和回风立井主管选用ø820mm×8mm的螺旋焊缝钢管，煤层南回风石门和回风大巷干管选用ø530mm×5mm的螺旋焊缝钢管，2501工作面采空区选用ø426mm×5mm的螺旋焊缝钢管。

4.2 瓦斯抽采效果分析

2501工作面回采前，在工作面胶带顺槽和回风顺槽内进行本煤层顺层钻孔抽采瓦斯抽采时间不小于半年，采用瓦斯在线监测和人工测量方法对本煤层顺层钻孔抽采阶段工作面瓦斯浓度进行观测，结果表明，胶带顺槽本煤层顺层钻孔瓦斯抽采浓度为3.2%～16.5%，瓦斯抽采纯量为0.35m3/min～5.62m3/min；回风顺槽本煤层顺层钻孔瓦

斯抽采浓度为8.6%～43.8%，瓦斯抽采纯量为0.45m3/min～7.36m3/min。本煤层顺层钻孔瓦斯抽采结束后，工作面煤层残余瓦斯含量测定值为2.58m3/t，相较于抽采前工作面煤层残余瓦斯含量减少了8.05m3/t，减少幅度高达75.73%。由此可见，虽然工作面顺槽本煤层顺层钻孔瓦斯抽采浓度和抽采纯量值较低，但是在工作面回采前进行至少半年的本煤层顺层钻孔抽采，长时间的抽采确保了本煤层顺层钻孔瓦斯抽采对工作面瓦斯治理的良好效果[1-3]。

4.3 顶板走向高位钻孔抽采及回风隅角埋管抽采效果分析

2501工作面回采期间采用顶板走向高位钻孔抽采及回风隅角埋管抽采方法进行抽采后，工作面回采期间回风隅角瓦斯浓度为0.43%～0.65%，工作面回风流中瓦斯浓度为0.15%～0.29%，工作面回风隅角和回风流中瓦斯浓度值均低于瓦斯超限警戒值1.0%。由此可见，采用顶板走向高位钻孔抽采及回风隅角埋管抽采方法对工作面瓦斯治理效果显著，工作面回采期间回风隅角未发生瓦斯超限现象，确保了工作面安全、高效生产。

5 结语

以某矿2501工作面为研究对象，对工作面瓦斯来源构成及涌出规律进行分析，指出工作面瓦斯来源以本煤层瓦斯为主，其次为邻近层瓦斯，且在60#～220#支架范围内瓦斯涌出量较大。本文提出采用本煤层顺层钻孔抽采+顶板走向高位钻孔抽采+回风隅角埋管抽采并采用本煤层浅孔快速强化抽采方法对工作面主要瓦斯涌出区域进行重点治理的综合瓦斯治理技术。现场应用结果表明，该综合瓦斯治理技术有效降低了煤层残余瓦斯含量和工作面回风隅角瓦斯浓度，有效解决了工作面回风隅角易发生瓦斯超限的问题，为工作面安全、高效生产提供了保障。

参考文献

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[2]刘晓辉.大采高综采面高瓦斯综合治理技术优化研究[J].山东煤炭科技，2019，32（2）：94-96，99.

[3]万成，李向阳，缪亚洲，等.华亭煤矿250106-1综采放顶煤工作面瓦斯涌出规律分析[J].内蒙古煤炭经济，2019（11）：81-83.