楊家忠

（煤礦瓦斯治理國家工程研究中心邯鄲分中心，安徽 淮南 232001）

0 引 言

我國煤炭開采每年以10～25m的速遞向深部延伸，深部煤層瓦斯壓力大，瓦斯含量高，回采期間瓦斯涌出量大，原有的瓦斯治理模式并不能完全適應(yīng)深部開采。特別是原開采水平較淺，突出危險性較弱，進(jìn)入深部新水平后，瓦斯治理方法不能滿足礦井開拓、生產(chǎn)需要，極易引起煤與瓦斯突出事故。因此，針對深部新水平開采，建立適合礦井安全高效生產(chǎn)的瓦斯治理模式十分必要。本文以陶二礦進(jìn)入深部新水平開采為例，建立底板巷“一巷多用”，綜合本煤層、裂隙帶、采空區(qū)的沿空留巷Y型通風(fēng)瓦斯綜合治理模式，為礦井高產(chǎn)高效奠定基礎(chǔ)。

1 礦井概況

陶二煤礦位于河北省邯鄲縣境內(nèi)，生產(chǎn)能力為1．25Mt／a。井田地面標(biāo)高140m左右，目前礦井有2個生產(chǎn)水平，一水平標(biāo)高－258m，是目前礦井主要生產(chǎn)水平；二水平標(biāo)高－711m，將逐步成為主采水平。礦井有3個生產(chǎn)采區(qū)，分別為一水平北二采區(qū)、四下采區(qū)和－711m水平首采區(qū)。首采區(qū)開拓方式為副立井與暗斜井混合開拓，上山式開采。礦井通風(fēng)方式為混合式，通風(fēng)方法為抽出式，礦井現(xiàn)有抽采系統(tǒng)3套，地面1套瓦斯抽采能力為150m3／min，井下移動泵站2套額定抽采能力為120m3／min。礦井可采煤層6層，首采開采1＃、2＃煤層，平均厚度分別為1．04m、3．17m，平均層間距為23m。

首采面2＃煤層曾于2007年4月20日在2211上巷（標(biāo)高－390．7m）綜掘工作面發(fā)生一次煤與瓦斯突出事故，突出拋出煤巖總量475噸，在5個多小時內(nèi)涌出瓦斯近64897m3，死亡11人。事故后礦井升級為煤與瓦斯突出礦井，1＃、2＃煤層經(jīng)鑒定均為突出煤層。

2 采區(qū)概況

－711m水平首采區(qū)位于井田東南深部－550～－850m，主采的2＃煤層頂板巖性多為砂質(zhì)泥巖和泥巖，是瓦斯保存的良好蓋層；首采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺較發(fā)育，地應(yīng)力集中，是礦井開采的首個煤與瓦斯突出危險采區(qū)。煤層開采過程中地應(yīng)力顯現(xiàn)明顯，瓦斯壓力高（1．51MPa）、含量大（13．102m3／t），煤較破碎。煤層透氣性系數(shù)為0．158m2／MPa2·d，屬于較難抽放煤層。瓦斯有效抽采半徑為3．5m。上階段2211工作面回采瓦斯涌出量達(dá)20m3／min。礦井的2＃煤層的自燃傾向等級均為Ⅲ類不易自燃，煤塵均不具爆炸性。

根據(jù)礦井規(guī)劃，首采區(qū)共有6個工作面，分別為2211、2213、2214、2215、2216、2217工作面。其中2211、2214工作面已回采結(jié)束，2216位于該采區(qū)北翼。礦井由原來一水平（標(biāo)高－258m）進(jìn)入深部二水平（標(biāo)高－711m），煤與瓦斯突出災(zāi)害將愈加嚴(yán)重，建立適合礦井安全高效生產(chǎn)的瓦斯治理模式十分必要。

3 現(xiàn)有瓦斯治理模式及存在問題

3．1 瓦斯治理模式

現(xiàn)有瓦斯治理模式主要為:煤巷掘進(jìn)采用本煤層順層鉆孔預(yù)抽條帶煤巷煤層瓦斯治理措施；回采區(qū)段采用順層鉆孔預(yù)抽工作面瓦斯、上隅角埋管、高位鉆場頂板走向鉆孔等瓦斯治理措施。

煤巷掘進(jìn)區(qū)域防突措施采用順層鉆孔預(yù)抽條帶煤巷煤層瓦斯；鉆孔孔徑75mm，控制巷道兩側(cè)輪廓線外18m，控制條帶長度70m；鉆孔在整個預(yù)抽區(qū)域內(nèi)均勻布置，鉆孔孔數(shù)17個，兩排布置（見圖1）。工作面在區(qū)域防突效果有效區(qū)域內(nèi)進(jìn)行掘進(jìn)時，工作面距未預(yù)抽或預(yù)抽防突效果無效范圍的前方邊界不得小于20m。煤巷掘進(jìn)與工作面回采區(qū)段預(yù)抽煤層瓦斯措施如圖1所示。

圖1 順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯鉆孔布置示意圖

順層鉆孔覆蓋整個預(yù)抽區(qū)域。在工作面下巷上幫采用鉆孔直徑113mm時，鉆孔間距5m；采用鉆孔直徑94mm時，鉆孔間距3m；鉆孔深度不小于70m。在工作面上巷下幫采用鉆孔直徑94mm、鉆孔間距3m，鉆孔深度不小于70m。鉆孔布置見圖2。

圖2 2214采煤工作面順層鉆孔布置示意圖

3．2 存在的問題

2007年以前，陶二礦開采淺部處于瓦斯風(fēng)化帶或低瓦斯區(qū)域。2007年以來，隨著開采深度的增加和開采區(qū)域的調(diào)整，礦井升級為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯治理已經(jīng)上升為制約礦井安全和生產(chǎn)的主要矛盾。由于瓦斯治理思路沒有轉(zhuǎn)變，治理技術(shù)沒有突破，瓦斯抽采效果差，抽采鉆孔利用低，礦井平均抽采率低，煤與瓦斯突出事故得不到有效遏制，瓦斯超限，校檢超標(biāo)更是經(jīng)常發(fā)生。因?yàn)橥咚箚栴}的制約，煤巷掘進(jìn)單進(jìn)低，先進(jìn)的采掘方式難以實(shí)施，實(shí)際產(chǎn)能沒有得到充分發(fā)揮。前期本煤層條帶預(yù)抽打鉆、掘進(jìn)施工存在著以下問題［1］。

（1）采區(qū)地應(yīng)力大，應(yīng)力集中，煤比較破碎，在前期煤巷掘進(jìn)工作面順層打鉆過程中經(jīng)常出現(xiàn)響煤炮、噴孔、卡鉆、夾鉆、掉鉆桿等現(xiàn)象。鉆孔深度淺，無法達(dá)到抽放鉆孔設(shè)計要求；鉆進(jìn)速度慢、成孔率低，成孔后隨即出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，造成重復(fù)打鉆，無法實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的要求。

（2）煤層賦存不穩(wěn)定，褶皺較發(fā)育，造成掘進(jìn)工作面順層鉆孔打不到位，部分鉆孔打到煤層頂板或底板，存在消突空白帶，鉆孔利用率低。后期必須增加鉆孔量或局部消突措施，無法實(shí)現(xiàn)規(guī)?；踩咝ч_采。

（3）煤巷掘進(jìn)因采用“拼刺刀”方式掘進(jìn)，煤巷條帶預(yù)抽消突措施已經(jīng)不能滿足深部采區(qū)瓦斯治理要求。經(jīng)常出現(xiàn)效果檢驗(yàn)、驗(yàn)證指標(biāo)超標(biāo)、瓦斯超限等現(xiàn)象；巷道頂板破碎嚴(yán)重，支護(hù)困難，極易誘發(fā)煤與瓦斯突出事故。且巷道單進(jìn)低，平均25m／月左右。

（4）掘進(jìn)頭封孔合茬抽采，不做巷幫鉆場，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)抽采，造成抽采濃度低、時間短，不僅影響掘進(jìn)速度，而且區(qū)域消突效果差［2］。

4 新模式探討

礦井現(xiàn)有的瓦斯治理模式［3］已經(jīng)不能保障礦井的安全高效生產(chǎn)。實(shí)踐也證明在本礦瓦斯地質(zhì)條件下因循守舊的采取本煤層順層條帶預(yù)抽掩護(hù)煤巷掘進(jìn)的“拼刺刀”做法已走入長時低效的絕境。根據(jù)本礦的具體情況，本著安全高效的原則，探索了一種新的瓦斯綜合治理技術(shù)模式:

采區(qū)開拓瓦斯治理為在2＃煤層底板增加底板巷，采用底板巖巷施工穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯區(qū)域防突措施掩護(hù)煤巷掘進(jìn)［4］；后期底板巷可兼做Y型通風(fēng)回風(fēng)巷、尾抽巷、措施巷，實(shí)現(xiàn)了“一巷多用”。

采區(qū)開采瓦斯治理則采用順層鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯。綜合考慮打鉆成本和開拓工期，充分利用底板巷施工穿層鉆孔預(yù)抽開切眼附近區(qū)段的瓦斯，以縮短采區(qū)投產(chǎn)時間，實(shí)現(xiàn)采區(qū)形成即可采煤。

采后瓦斯治理則綜合采取了高位鉆場頂板走向鉆孔、上隅角埋管（采空區(qū)埋管）、沿空留巷Y型通風(fēng)“三法并舉”的瓦斯綜合措施治理。具體如下:

4．1 底板巖巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯消突

2211工作面已回采，后續(xù)采掘接替在位于突出危險區(qū)域內(nèi)的2213、2215、2217三個工作面聯(lián)合布置底板巖巷，按照“n＋1”模式（n為工作面?zhèn)€數(shù)）布置4條底板巖巷。每工作面兩巷均采用底板巖巷條帶式預(yù)抽煤層區(qū)域瓦斯治理措施為主，掘進(jìn)時適當(dāng)輔以短鉆孔相結(jié)合的綜合瓦斯治理措施。

底板巷位置:分別在距2213上巷、2215上巷、2217上巷、2217下巷里側(cè)平距20m、24．6m、24．6m、24．65m（幫－幫），2＃煤層底板17m 以下布置一條底板巖巷，距工作面切眼里側(cè)20m位置處施工聯(lián)巷聯(lián)通，始終位于2＃煤層底板17m以下，分別與2213、2215、2217頂板繞道貫通，實(shí)現(xiàn)底板巖巷全負(fù)壓通風(fēng)。底板巖巷凈斷面為4．2×3．4m（寬×高）。巷道布置見圖3。

底板巷條帶穿層預(yù)抽鉆孔按5×5m（軸向×軸垂線）布置，孔徑113mm，分別控制到工作面兩巷、切眼兩幫輪廓線外15m范圍內(nèi)2＃煤體。鉆孔布置見圖4～5。

圖3 “n＋1”模式底板巖巷布置示意圖

圖4 沿底板巖巷軸垂線剖面鉆孔布置示意圖

圖5 平面鉆孔布置示意圖

4．2 沿空留巷Y型通風(fēng)“一巷多用”瓦斯治理

在工作面上巷內(nèi)，實(shí)施沿空留巷措施，實(shí)現(xiàn)工作面兩進(jìn)一回通風(fēng)方式，有效治理工作面上隅角瓦斯，并且改善工作面作業(yè)環(huán)境［5］。由于深部開采，地應(yīng)力較大，留巷支護(hù)不易，利用底板巷回風(fēng)，采取階段性留巷技術(shù)。

4．2．1 底抽巷兼做回風(fēng)巷

考慮到沿空留巷巷道支護(hù)及維修難度，從上底板瓦斯預(yù)抽巷施工聯(lián)巷與工作面上巷貫通，聯(lián)巷初期按每80m一條，在工作面回采過程中視留巷成巷程度，可以適當(dāng)加大聯(lián)巷間距。待聯(lián)巷采空區(qū)側(cè)留巷成巷較差，不能滿足工作面通風(fēng)斷面時，則將里側(cè)封閉，利用聯(lián)巷進(jìn)行回風(fēng)，確保Y型通風(fēng)的連續(xù)和穩(wěn)定性。如圖6所示。

圖6 底抽巷兼做Y型通風(fēng)回風(fēng)巷示意圖

4．2．2 底抽巷兼做尾抽巷

底抽巷也可兼做尾抽巷，視回采期間工作面瓦斯涌出量情況，在上巷封閉工作面里側(cè)對應(yīng)尾部聯(lián)巷進(jìn)行封閉埋管抽采采空區(qū)瓦斯，如圖6所示。

4．2．3 底抽巷穿層鉆孔抽采回采區(qū)域瓦斯

－711水平首采區(qū)煤層賦存不穩(wěn)定，褶皺較發(fā)育，順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯布置容易出現(xiàn)消突空白帶；采區(qū)地應(yīng)力較高，長鉆孔施工困難，經(jīng)常出現(xiàn)鉆孔打不到位的情況。針對這些問題，可以從底板巷施工穿層鉆孔預(yù)抽特定區(qū)域瓦斯，形成三維立體化瓦斯抽采體系，優(yōu)化瓦斯治理的手段。

4．3 高位鉆場頂板走向鉆孔抽采裂隙帶瓦斯

工作面回采后，采空區(qū)頂部裂隙帶賦存大量高濃度的卸壓瓦斯［6］，可布置高位鉆場頂部走向鉆孔抽采。自工作面切眼起，直至停采線止，沿2213工作面、2215工作面、2217工作面上巷每隔60m布置1個高位鉆場，鉆場規(guī)格為深（5．5m）×寬（5m）×高（2．8m），在每個鉆場中施工4排共計16個高位鉆孔，每排4個鉆孔，鉆孔孔徑為不小于94mm，抽采1＃煤層及上隅角瓦斯，鉆孔控制前方90m范圍，鉆孔壓茬30m。高位鉆場頂板走向鉆孔前期必須施工。具體布置見圖7。

圖7 高位鉆場頂板走向鉆孔布置示意圖

4．4 順層鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯

本煤層順層鉆孔布置:2217（面長105m）、2215（面長90m）工作面:自工作面停采線起，工作面切眼止（其中2217工作面至往工作面內(nèi)100m處止），因工作面面長較短，分別在工作面下巷每5m施工一個順層鉆孔，鉆孔深分別為90m、75m。長鉆孔施工有困難時也可在上、下巷兩端施工，控制整個工作面回采區(qū)段。

圖8 2215、2217工作面順層鉆孔布置示意圖

2213工作面（面長130m）:自工作面停采線起，工作面切眼止，在其上、下巷內(nèi)每5m施工一個順層鉆孔，鉆孔深70m。鉆孔布置見圖8～9。

圖9 2213工作面順層鉆孔布置示意圖

4．5 采空區(qū)埋管抽采瓦斯

在工作面采空區(qū)域沿空留巷段，初次埋管數(shù)量斷面與聯(lián)接抽采管路匹配（同斷面），往后每30～50m埋一直徑200mm抽采管，后期再根據(jù)抽采情況可以適當(dāng)調(diào)整埋管間距。埋管與回風(fēng)順槽內(nèi)直徑200mm抽采管聯(lián)接，并入永久抽采系統(tǒng)抽采。

5 結(jié)束語

（1）底板巷穿層鉆孔抽采煤巷條帶瓦斯技術(shù)杜絕了煤礦工人與瓦斯“短兵相接”的被動瓦斯治理局面，消除了“拼刺刀”的危險作業(yè)方式，預(yù)防和避免了瓦斯超限、煤與瓦斯突出等事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了高瓦斯突出煤層在低瓦斯?fàn)顟B(tài)下的安全開采。

（2）煤巷預(yù)抽瓦斯消突為煤巷掘進(jìn)提供了良好的工作環(huán)境。先進(jìn)的采掘技術(shù)及裝備得以利用，提高了煤巷掘進(jìn)機(jī)械化水平和單產(chǎn)單進(jìn)水平；連續(xù)開采得以實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化了煤巷掘進(jìn)工藝，節(jié)省了掘進(jìn)時間，提升了礦井高產(chǎn)高效建設(shè)水平。

（3）探索了陶二礦－711水平首采區(qū)瓦斯綜合治理模式。煤巷掘進(jìn)工作面采用底板巖巷施工穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯區(qū)域防突措施；回采工作面采用沿空留巷Y型通風(fēng)瓦斯綜合治理措施，其中順層鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯，高位鉆場頂板走向鉆孔抽采裂隙帶瓦斯，上隅角、尾巷埋管抽采采空區(qū)瓦斯，形成了礦井三維立體瓦斯抽采體系，優(yōu)化了礦井瓦斯抽采手段，有效保障了將煤層降至低瓦斯?fàn)顟B(tài)下再進(jìn)行回采，將煤層瓦斯降至低瓦斯?fàn)顟B(tài)下再進(jìn)行安全高效開采。

（4）－711m水平首采區(qū)瓦斯治理統(tǒng)籌布局，底板巷采取“n＋1”模式布置，不僅掩護(hù)煤巷安全高效掘進(jìn)，且在工作面回采工程中可兼做回風(fēng)巷、尾抽巷、措施巷，實(shí)現(xiàn)了“一巷多用”，與“一面四巷”比較，節(jié)省了n－1條巖巷。

1 申廣君．煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯治理技術(shù)現(xiàn)狀及存在問題分析［J］．煤礦安全，2012，43（5）:127－129．

2 甘林堂．巷幫鉆場深孔抽采配合迎頭孔卸壓防治掘進(jìn)工作面煤與瓦斯突出［J］．煤礦安全，2007，（08）:17－19．

3 袁亮．低透氣性煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2004．

4 張明杰．單一煤層底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯條帶區(qū)域防突技術(shù)［J］．中國工程科學(xué)，2011，42（6）:30－32．

5 袁亮．低透氣性煤層群無煤柱煤與瓦斯共采理論與實(shí)踐［M］．北京:煤炭工業(yè)出版社，2008．

6 袁亮．開采煤層頂板環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長鉆孔法抽放瓦斯研究［J］．中國工程科學(xué)，2004，6（5）:32－38．