常偉琦

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)忻州公司 山西 忻州 034000）

0 引言

目前，煤炭是在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)占主要的地位，現(xiàn)如今我國(guó)礦井開采煤層已經(jīng)到達(dá)深部，煤層的透氣性低，深部煤層瓦斯壓力以及瓦斯含量較大等問題越發(fā)明顯，傳統(tǒng)的排放瓦斯技術(shù)已經(jīng)不能夠滿足煤礦安全開采的需要[1]。尤其是對(duì)特厚煤層而言，工作面正常回采擴(kuò)散瓦斯?jié)舛雀?，甚至在移架、落煤時(shí)會(huì)有大量的瓦斯涌出來，使得隅角、回風(fēng)流瓦斯超限等事故，必須采用合理有效的瓦斯治理技術(shù)，通過風(fēng)排瓦斯，進(jìn)一步加強(qiáng)瓦斯的抽放來降低工作面的瓦斯?jié)舛?。在“先抽后采、以風(fēng)定產(chǎn)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控”的方針指引下［2-4］，引入綜放工作面瓦斯抽放技術(shù)，有效地解決上隅角瓦斯超限問題，對(duì)實(shí)現(xiàn)礦井的安全高效開采具有十分重大的意義。

1 礦井概況

1.1 B2煤層瓦斯基本參數(shù)

山西某礦從2004 年開始施工，2008 年試采上部B42煤，2009年7月正式投入生產(chǎn)。截止2020年年底，該煤礦批復(fù)礦區(qū)范圍內(nèi)保有資源儲(chǔ)量70 277.56 萬(wàn)t（含各類煤柱），可采儲(chǔ)量為41 815.14萬(wàn)t。

井田內(nèi)含煤地層位于中侏羅統(tǒng)西山窯組下段，可采煤層為B42煤、B41煤、B3煤、B2煤、B1煤和B0煤，其中 B41煤、B2 煤、B1 煤和 B0 煤為主采煤層。礦井核定生產(chǎn)能力為180 萬(wàn)t/a。礦井采用反斜井開拓方式，共有主、副、風(fēng)三個(gè)斜井井筒。井田分兩個(gè)水平，七個(gè)采區(qū)。一水平標(biāo)高為+1 255 m，二水平標(biāo)高為+950 m，一水平分兩個(gè)采區(qū)，實(shí)行上山開采；二水平分三個(gè)上山采區(qū)和兩個(gè)下山采區(qū)。礦井開采B4 煤層時(shí)采用綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，B2煤層采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤法。目前礦井生產(chǎn)采區(qū)為一水平的一采區(qū)。

1.2 B2煤層瓦斯基本參數(shù)

B2 煤層瓦斯壓力0.32 MPa，煤層的瓦斯含量為2.35 m3/t～5.8 m3/t，透氣性系數(shù)在0.080 75m2/(MPa2·d)～1.034 7m2/(MPa2·d)之間，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)在0.343 d-1～0.365 d-1之間。B2 煤層水分 Mad 為 4.32%，灰分Ad 為5.06%，揮發(fā)分Vdaf 為28.59%，密度為1.47 g/cm3，孔隙率為6.12%，吸附常數(shù)a 為24.126 cm3/g，吸附常數(shù)b為1.103 5 MPa-1。

1.3 抽放系統(tǒng)簡(jiǎn)介

根據(jù)礦井瓦斯涌出情況，礦井建立了地面固定瓦斯抽采系統(tǒng)，泵站安裝了4臺(tái)能力為510 m3/min的抽放泵（高低壓兩用兩備）。地面瓦斯抽采泵參數(shù)見表1。

表1 地面瓦斯抽采泵參數(shù)

該系統(tǒng)主要用于I010203工作面煤體預(yù)抽及采空區(qū)抽放，抽放管路直徑為630 mm、315 mm，其中630 mm 抽放主管由永久泵站鋪設(shè)至B2 煤層回風(fēng)上山，315 mm支管鋪設(shè)于I010203工作面上順槽、工藝巷。

2 采空區(qū)瓦斯來源分析與涌出量實(shí)測(cè)

2.1 采空區(qū)瓦斯來源分析

（1）開采煤壁的瓦斯

在對(duì)I010203 綜放工作面進(jìn)行回采過程中，受采動(dòng)的影響，支架上部的煤體受到應(yīng)力作用，形成一個(gè)卸壓帶，瓦斯沿著綜放支架上部煤壁的卸壓帶裂隙涌入采空區(qū)，從而使采空區(qū)的瓦斯含量增大。

（2）遺煤殘留瓦斯

在對(duì)I010203 綜放工作面回采過程中，受到采煤工藝的影響，產(chǎn)生一定量的遺煤，當(dāng)工作面往前推進(jìn)時(shí)，遺煤遺留在了采空區(qū)中，而遺煤中殘留的瓦斯從煤體中釋放出來，增加了采空區(qū)的瓦斯含量。

（3）相鄰煤層的瓦斯

由于受I010203 綜放工作面回采采動(dòng)的影響，圍巖產(chǎn)生大量的裂隙，B2 煤層上下分別與B3 煤層、B1煤層相鄰，其相鄰煤層的瓦斯通過這些裂隙涌進(jìn)采空區(qū)，使得采空區(qū)的瓦斯含量增加。

2.2 采空區(qū)瓦斯涌出量實(shí)測(cè)

（1）在I010203工作面剛開始開采階段，選擇檢修班測(cè)定工作面進(jìn)、回風(fēng)巷風(fēng)量和瓦斯?jié)舛龋M(jìn)而確定工作面進(jìn)、回風(fēng)瓦斯涌出量,兩者之差即為工作面煤壁瓦斯涌出量。為了研究工作面煤壁瓦斯的涌出量，對(duì)工作面開采階段的檢修班進(jìn)行工作面瓦斯涌出量的實(shí)測(cè)，測(cè)定結(jié)果見表2。

表2 I010203工作面初次來壓前檢修班瓦斯涌出量測(cè)定數(shù)據(jù)

根據(jù)表1所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)分析計(jì)算，得到I010203綜采工作面煤壁瓦斯涌出量平均為0.53 m3/min。

（2）為了研究工作面落煤瓦斯的涌出量，對(duì)工作面始采階段（未來壓階段）的生產(chǎn)班進(jìn)行工作面瓦斯涌出量的實(shí)測(cè)，結(jié)果見表3。

表3 I010203工作面初次來壓前采煤班瓦斯涌出量測(cè)定數(shù)據(jù)

根據(jù)表3所測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析計(jì)算得到I010203綜采工作面瓦斯涌出量平均為1.73 m3/min。其中煤壁瓦斯涌出量平均為0.53 m3/min，故工作面落煤瓦斯涌出量平均為1.2 m3/min。

(3)為了研究工作面采空區(qū)瓦斯的涌出量，對(duì)工作面來壓后的生產(chǎn)班進(jìn)行工作面瓦斯涌出量的實(shí)測(cè)，結(jié)果見表4。

表4 I010203工作面初次來壓后生產(chǎn)班瓦斯涌出量測(cè)定數(shù)據(jù)

根據(jù)表4數(shù)據(jù)，經(jīng)分析計(jì)算得到I010203綜采工作面瓦斯涌出量（不含抽采瓦斯量）為2.90 m3/min。其中煤壁瓦斯涌出量為0.53 m3/min，工作面落煤瓦斯涌出量為1.2 m3/min，故采空區(qū)瓦斯涌出量為1.17 m3/min。

3 采空區(qū)瓦斯抽放技術(shù)

3.1 工作面概括

I010203工作面下順槽水平標(biāo)高為+1 318 m，上順槽水平標(biāo)高為+1 365 m；工作面對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+1 675 m～+1 840 m。工作面傾斜長(zhǎng)度192 m，可采走向長(zhǎng)度1 496 m，采高3.2 m，放煤厚度6.3 m，工作面傾角平均13°。

3.2 高位鉆孔設(shè)計(jì)

I010203 回采面上順槽采用高位孔抽放瓦斯，掘進(jìn)時(shí)期在工作面上順槽施工鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)底板比順槽底板抬高1 m，鉆場(chǎng)間距100 m 左右。鉆場(chǎng)規(guī)格：長(zhǎng)4.2 m；深5.5 m；高3.2 m，上順槽鉆孔設(shè)計(jì)在鉆場(chǎng)靠近工作面的側(cè)幫向采空區(qū)方面施工8 個(gè)鉆孔，鉆孔終孔高度距離巷道底板20 m～25 m位置，終孔間距為10 m，終孔點(diǎn)傾向位置在上順槽開采幫往工作面方向20 m 范圍內(nèi)。施工的鉆場(chǎng)與前一個(gè)鉆場(chǎng)搭接40 m；鉆孔施工直徑113 mm。鉆孔布置圖見圖1。

圖1 高位鉆孔布置圖

3.3 采空區(qū)插管抽放瓦斯

采空區(qū)瓦斯在開采過程中向工作面涌出，易造成瓦斯積聚在回風(fēng)隅角，采用插管抽采方式對(duì)采空區(qū)瓦斯實(shí)施抽采，有效解決I010203 回采面回風(fēng)隅角瓦斯積聚問題。選擇?315PE抽采管路對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放，每節(jié)抽放管路長(zhǎng)6 m。采空區(qū)插管抽放深度不超過6 m，隨著工作面推進(jìn)，使用特制3 m 短管對(duì)6 m抽放管路進(jìn)行更換，隨即對(duì)更換的抽放管路進(jìn)行回收，更換步距為3 m，交替進(jìn)行。抽放采用敞口式，管口利用鋼絲網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)，防止煤渣等雜物被吸入抽放管內(nèi)，如此循環(huán)；直至工作面回采完畢。具體方案見圖2。

圖2 I010203工作面采空區(qū)插管抽放瓦斯示意圖

4 采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)效果對(duì)比分析

通過對(duì)比分析插管抽采單獨(dú)使用以及組合使用高位鉆孔抽采時(shí)的瓦斯治理效果及瓦斯抽采規(guī)律，以論證各項(xiàng)措施的有效性，最后確定適合該工作面的瓦斯治理措施。

4.1 組合使用高位鉆孔、插管抽采效果對(duì)比分析

對(duì)工作面同時(shí)使用高位鉆孔、插管抽采條件下的瓦斯治理效果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見圖3。

圖3 組合使用時(shí)高位鉆孔、插管抽采效果考察結(jié)果

根據(jù)圖3 對(duì)比結(jié)果可得：高位鉆孔平均抽采濃度較大，但抽采混合量和純量均較小，插管抽采平均濃度相對(duì)較低，但抽采混合量和純量均較大，兩種措施同時(shí)實(shí)施時(shí)，插管抽采效果高于高位鉆孔抽采效果。

高位鉆孔瓦斯抽采的瓦斯抽采濃度、流量隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖4。純流量基本上呈現(xiàn)為前期和后期流量較小，中期較大，濃度為前期較低，后期較大。

圖4 高位鉆孔瓦斯抽采濃度、流量隨時(shí)間的變化規(guī)律

插管瓦斯抽采的瓦斯?jié)舛?、純流量隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖5 和圖6。表明了了工作面插管抽放瓦斯?jié)舛?、流量隨時(shí)間的變化規(guī)律以及插管抽放與風(fēng)排瓦斯量隨時(shí)間變化規(guī)律。

圖5 工作面插管抽放瓦斯?jié)舛?、流量隨時(shí)間的變化

圖6 工作面插管抽放與風(fēng)排瓦斯量隨時(shí)間的變化

4.2 單獨(dú)使用插管抽放效果考察分析

單獨(dú)使用插管抽采時(shí)的插管抽采濃度、流量隨時(shí)間的變化關(guān)系，見圖7。獨(dú)立插管抽放采空區(qū)瓦斯期間，抽采濃度3.12%～3.4%，混合流量80.9 m3/min～110.9 m3/min，純流量2.72 m3/min～3.77 m3/min。獨(dú)立插管抽放條件下，工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.12%～0.18%，平均0.15%，獨(dú)立插管抽放條件下，瓦斯抽采效果良好。

圖7 獨(dú)立插管條件下插管抽放濃度、流量隨時(shí)間的變化

4.3 獨(dú)立插管抽放與組合使用效果考察分析

根據(jù)獨(dú)立插管抽采和組合使用措施效果考察結(jié)果，得到對(duì)比分析結(jié)果見表5。

表5 不同抽采方式下瓦斯抽采效果對(duì)比結(jié)果

對(duì)比表4結(jié)果可以得出：

（1）單獨(dú)使用插管抽采時(shí)較組合使用時(shí)插管抽采混合流量由原來的73.8 m3/min 增加到94.58 m3/min，瓦斯?jié)舛葟?.26%下降到3.22%，抽采純流量從3.14 m3/min下降到3.04 m3/min，但是單獨(dú)使用插管抽采效果仍然較好。

（2）單獨(dú)采用插管抽采時(shí)，平均抽采純量雖然有所降低，瓦斯抽采率有所下降，但是工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸兓^小（僅上升0.03%），整體瓦斯抽采率仍保持同等水平。

根據(jù)上述對(duì)比分析結(jié)果得出：組合使用高位鉆孔抽采條件下，對(duì)工作面瓦斯抽采效果影響不大，而單獨(dú)使用插管抽采時(shí)，完全可以滿足工作面瓦斯治理需要。

5 結(jié)論

（1）單獨(dú)采用上隅角插管抽采以后，同樣保證了工作面回采期間瓦斯治理效果，工作面實(shí)現(xiàn)了安全回采，礦井從2016年8月開始，停止了高位鉆孔的施工和使用。目前，插管抽采平均濃度1.57%，抽采純流量保持在1.47 m3/min 左右，上隅角最大瓦斯?jié)舛?.4%，回風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛?.24%，工作面瓦斯涌出量3.32 m3/min，瓦斯抽采率45%，瓦斯治理效果較好。

（2）減少了高位鉆孔施工工程量，節(jié)約了礦井瓦斯治理成本。

按照I010203 工作面瓦斯治理方案，設(shè)計(jì)施工高位鉆孔120個(gè)，已施工24個(gè)鉆孔，剩余鉆孔施工工程量7 680 m，取消高位鉆孔施工后，大大節(jié)約了瓦斯治理成本。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析計(jì)算得到I010203綜采工作面瓦斯涌出量為2.90 m3/min。其中煤壁瓦斯涌出量為0.53 m3/min，工作面落煤瓦斯涌出量為1.2 m3/min，故采空區(qū)瓦斯涌出量為1.17 m3/min。