袁 磊 張 建 孫桂梁

（1.山東公信安全評價有限公司，山東 棗莊 277100；2.神華集團烏達五虎山礦業(yè)有限責任公司，內蒙古 烏海 016000）

1 工程概況

1.1 項目研究背景

瓦斯主要以兩種形式存在于煤體間隙當中：一種是游離狀態(tài)的吸附形式，另一種是游離狀態(tài)的存在方式。有5%～10%的瓦斯以游離狀態(tài)存在于煤層當中，剩下的瓦斯都是以吸附狀態(tài)存在于煤層當中的。在煤層和其附近進行采掘工作時，在開采活動的影響下煤巖的原始狀態(tài)就會受到破壞，繼而發(fā)生破裂，結構發(fā)生變化，重力的相應作用，使得一部分煤層中煤體的滲透性提高。而游離狀態(tài)的瓦斯在這些外界環(huán)境因素的變化影響下，通過煤體的裂隙和暴露在空氣中的表面擴散到外界并運移到空間各處。對瓦斯進行抽采是目前瓦斯治理與利用的主要手段，也是最有效的手段。

1.2 煤礦概況

五虎山煤礦主采9#、12#煤層，瓦斯壓力分別為 0.38～0.80MPa、0.12～2.83MPa，瓦斯含量分別為8.48m3/t、8.2m3/t。具體如下表1所示。

表1 主采煤層瓦斯參數(shù)一覽表

礦井絕對瓦斯涌出量約88m3/min，礦井相對瓦斯涌出量約31m3/t，采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量約7.3m3/min，掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量約21.5m3/min，屬高瓦斯礦井。本文以12煤層011204工作面進行分析：

12煤層為該區(qū)最厚的一層煤，厚2.44～6.13m，平均3.5m，井田北部較南部厚，煤層結構復雜；煤巖類型為半亮-半暗型，細條帶或透鏡體鏡煤條帶，質硬性脆，節(jié)理裂隙發(fā)育，硬度2左右。該煤層在井田分布穩(wěn)定，屬較穩(wěn)定煤層。12煤層與下伏13上2煤層間距平均為12.86m（3.52～28.70m）

011204工作面長約200m，兩順槽長度1106m。工作面煤層節(jié)理較發(fā)育，平均厚度3.9m，傾角5°～9°，屬較穩(wěn)定煤層。煤層直接頂、老頂均為頁巖，老底為砂質頁巖。該工作面上部為010902、010904及011002采空區(qū)，下部和東部均為未開采實體煤，西為原011204回風巷，南為井田邊界，北為12層皮帶上山。

011204工作面采用走向長壁后退式采煤方法，綜采一次采全高工藝，全部垮落法管理頂板。工作面采用MG300/700-WD型雙滾筒采煤機雙向割煤，端頭斜切進刀方式，有效截深0.6m，循環(huán)進度0.6m，平均采高3.9m。工作面基本支架選用130架ZZ5200-22/42型掩護式液壓支架，中心距1.5m。支架工作阻力5200kN，初撐力4362kN，支撐高度2.2～4.2m。移架步距0.60m，最大控頂距5.23m，最小控頂距4.63m。

2 瓦斯抽采治理

2.1 瓦斯抽采系統(tǒng)

礦井在風井工業(yè)場地設地面瓦斯抽采站二座，一座內設2臺2BEC-67型水環(huán)式真空泵，一用一備，雙回路供電，電機功率450kW，額定流量385m3/min；另一座內設2臺2BEC-52型水環(huán)式真空泵，一用一備，雙回路供電，電機功率250kW，額定流量200m3/min。抽采主管路為Φ600mm鋼管架纖維管，在回風斜井地面場地沿鉆孔進入井下，支管路采用Φ450mm、Φ400mm、Φ225mm和Φ300mm鋼管架纖維管，敷設至各采掘工作面。

主要采用高負壓抽采和低負壓抽采，對開采煤層進行預抽，對工作面回采前進行抽采，回采時對采空區(qū)、工作面上隅角高位鉆孔進行抽采。在12煤的011204綜采工作面、9煤的010906備用工作面和各掘進工作面都敷設了瓦斯抽采管路，進行瓦斯抽采，瓦斯抽放系統(tǒng)安全穩(wěn)定、運行可靠，各巷道及采掘工作面均無瓦斯超限現(xiàn)象。

2.2 鉆孔布置方式及參數(shù)

以011204備用工作面為例，在工作面兩順槽每隔60m開設1個鉆場，每個鉆場布置9個鉆孔，鉆孔平均長度100m，鉆孔延伸方向與煤層平行，如圖1所示。

（1）鉆孔布置。鉆孔按五花眼布置，分上、中、下三排，間距0.4m，排距1m。上排鉆孔中心距底板2.2m，中排鉆孔中心距底板1.8，下排鉆孔中心距底板1.4m。上排鉆孔傾角向上2～6°、方位角36°，中排傾角0°、方位角90°，下排鉆孔傾角向下1～3°、方位角180°?？讖骄鶠?4mm，鉆孔深度約100m。

圖1 鉆孔布置平面圖

（2）封孔。原則上封孔深度必須超過破碎帶寬度，封孔深度為7m，采用聚氨酯封孔。

3 瓦斯抽采效果分析

系統(tǒng)建立后預先對準備回采工作面進行6個月的抽采，同時在工作面推進100m后在上隅角布置瓦斯抽采管道對采空區(qū)瓦斯進行抽采。以月為時間段對011204工作面、回風巷、上隅角及十二層煤集中回風巷瓦斯?jié)舛冗M行測定分析，抽采前后瓦斯?jié)舛茸兓瘜Ρ纫姳?。以月為時間段對工作面3#鉆場單孔抽采瓦斯體積分數(shù)進行分析，隨抽采時間抽采量變化見圖2。

表2 抽采前后011204工作面風量及瓦斯情況

圖2 3#鉆場單孔抽采瓦斯體積分數(shù)及法距隨推進時間變化曲線

進行瓦斯抽采后，011204工作面上隅角的瓦斯?jié)舛扔?.22%～4.65%降至0.30%～0.48%，回風順槽的瓦斯?jié)舛扔?.66%～3.55%降至0.18%～0.32%，十二層煤集中回風巷瓦斯?jié)舛扔?.10%～2.82%降至0.16%～0.22%。抽采6個月以后隨著工作面的開采實行邊采邊抽，工作面上隅角和回風順槽的瓦斯?jié)舛葻o明顯變化，只有略微波動。3#鉆場單孔抽采瓦斯體積分數(shù)變化與工作面上隅角和回風流中的瓦斯?jié)舛茸兓辔呛?，從兩個方面說明了瓦斯抽采效果達到了預期目標。礦井煤層瓦斯易抽采，隨著抽采時間延長，前兩個月瓦斯抽采量逐漸減少且變化明顯，從3月至6月瓦斯抽采量減少量變化緩慢，六個月以后瓦斯抽采量基本趨于穩(wěn)定，12個月以后煤層瓦斯已無抽采必要。

4 應用效果總結

（1）采用高/低負壓對開采煤層工作面回采前進行抽采，同時回采時對采空區(qū)、工作面上隅角進行抽采，抽采效果較好，達到了瓦斯預期抽采目標。證明對高瓦斯煤層采用預先抽采技術能夠有效防止瓦斯超限，瓦斯治理效果明顯，為高瓦斯煤層的開采提供安全保障。

（2）利用瓦斯抽放系統(tǒng)對采煤工作面上隅角瓦斯進行抽采，由于工作面上順槽后路難以封閉嚴密，導致上隅角瓦斯抽采難以達到預期抽采效果，難以杜絕上隅角瓦斯超限問題，需增加工作面配風量來降低上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

（3）對于無煤層自然發(fā)火的礦井，采空區(qū)、鄰近煤層瓦斯涌出量占總瓦斯涌出量的比例大于50%，利用瓦斯抽采系統(tǒng)造成的高負壓狀態(tài)，使得采空區(qū)、煤層內瓦斯移動，抽采效果明顯。

（4）瓦斯抽放泵流量必須滿足礦井抽采期間最大瓦斯抽采量的要求，且瓦斯抽放泵的負壓必須大于管道系統(tǒng)的阻力，管道系統(tǒng)必須連接嚴密。

5 需進一步解決的問題

（1）抽采鉆孔孔徑的大小直接影響鉆孔周圍的卸壓帶，卸壓帶范圍的大小影響著瓦斯的抽采效果，鉆孔孔徑越大，瓦斯的抽出量越大，抽采效果越好，但受煤層厚度、地質條件的影響，在鉆孔過程中受鉆孔長度、孔徑和技術的影響，容易造成塌孔問題。

（2）抽采負壓對未卸壓煤層抽放效果的影響沒有明確的計算公式，雖然有關數(shù)據顯示提高抽采負壓可以顯著提高瓦斯的抽采效果，但不能真正的表示出負壓與抽采量的關系。

（3）瓦斯抽放率與鉆孔布置有很大關系，在現(xiàn)有條件下如何進一步試驗最佳布孔參數(shù)，增加瓦斯抽采面積，縮短瓦斯抽采時間，還需要不斷進行探索。

（4）現(xiàn)有瓦斯抽采系統(tǒng)和布孔方式無法解決工作面上隅角瓦斯超限問題，能否通過優(yōu)化鉆孔布置參數(shù)和增加工作面上隅角、采空區(qū)抽采量來解決，需進一步進行探索。