28202工作面立體式瓦斯治理技術(shù)的探討與研究

李曉勇

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司東曲礦，山西 古交 030200)

新中國成立以來，全國煤礦共發(fā)生一次死亡百人以上的事故19起，死亡3 162人，其中18起是瓦斯事故，死亡3 052人，事故起數(shù)和死亡人數(shù)分別占95%和97%。目前，高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井占全國國有重點(diǎn)煤礦46%，瓦斯治理工作非常艱巨。西山礦區(qū)共有5座高瓦斯礦井(包含東曲礦)和1座煤與瓦斯突出礦井(屯蘭礦)，且東曲礦井田邊界與屯蘭礦相鄰，有煤與瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn)。為了防止工作面瓦斯超限，堅(jiān)決遏制瓦斯事故，東曲礦轉(zhuǎn)變瓦斯治理思路，變被動(dòng)風(fēng)排為主動(dòng)抽采，取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

西山煤電(集團(tuán))公司東曲礦，位于山西省古交市汾河南岸，地理位置優(yōu)越，交通十分便利。井田位于太原西山煤田北部，范圍北以頭南峁斷層為界;東起半溝D12鉆孔，經(jīng)D19、167鉆孔到182孔東南2 000余m止;南到康家社、師家山、張家里一帶;西以大川河?xùn)|岸洪水位線為界。南北長約10 km、東西長約 6 km，井田面積 59．904 86 km2。2#、4#、8#、9#等 4層煤為主要可采煤層，屬穩(wěn)定型。煤層總厚13．40 m，煤系地層總厚155．35 m，含煤系數(shù)為8．7%，上、下兩主要煤層2#、8#煤間距為85 m左右。井田內(nèi)各主要可采煤層以瘦煤為主，貧煤、焦煤次之。通風(fēng)采用分區(qū)式、機(jī)械抽出式通風(fēng)。

東曲礦區(qū)煤系地層呈多煤層和煤層低透氣性的特征，針對低透氣性煤層，如何增加煤層透氣性是保證工作面瓦斯抽采效果，提高抽采率的關(guān)鍵。掘進(jìn)工作面采用超前抽采鉆孔、高瓦斯采煤工作面采用瓦斯預(yù)抽、裂隙帶抽采等抽采措施，但這些措施往往有一定的局限性，不能根本上解決采煤工作面瓦斯超限問題。因此，在工作面煤層未回采前，通過上、下鄰近層及本煤層瓦斯抽采，降低煤層地應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)回采煤層的“卸壓增透增流”的作用，形成工作面立體式瓦斯抽采。采用此項(xiàng)技術(shù)可以減少高瓦斯采煤工作面回采期間的絕對瓦斯涌出量和降低瓦斯超限次數(shù)。

+860水平為東曲礦高瓦斯區(qū)域，且+860水平緊鄰?fù)吞m礦，煤層絕對瓦斯涌出量在30 m3/min以上。28202工作面是東曲礦首個(gè)采用“上、下鄰近層瓦斯抽采+本煤層瓦斯抽采”的工作面，因此，28202工作面瓦斯抽采效果直接影響礦井瓦斯抽采方法革新及采、掘生產(chǎn)部署。

1 工作面地質(zhì)概況

1．1 井下位置及煤層性質(zhì)

28202工作面位于東曲礦+860水平二采區(qū)8#煤，上方2#、4#煤已回采、7#煤未回采。4#～8#煤的層間距為66～81 m。工作面走向978 m，傾向206 m，煤層厚度2．20～ 3．80 m，平均3．30 m，夾1 ～3 層夾矸，局部位置有8#煤與8#上煤的分叉、8#煤變薄。容重1．37 t/m3，煤層傾角 2°～8°，平均 3°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬為較穩(wěn)定煤層，煤的自燃傾向性等級為Ⅱ類。28202工作面布置及通風(fēng)系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 28202工作面布置及通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

1．2 頂、底板情況

偽頂為0～2．1 m的泥巖及8#上煤，直接頂為4．40 m厚的石灰?guī)r，老頂為6．0 m厚的細(xì)砂巖;直接底為2．5～6．2 m厚的砂質(zhì)泥巖，老底為2．50 m厚的9#煤。

1．3 地質(zhì)情況

該工作面整體呈單斜構(gòu)造，有寬緩小褶曲存在，掘進(jìn)中揭露斷層10條，均為正斷層。根據(jù)4#煤采掘資料及該工作面掘進(jìn)中揭露的陷落柱共3個(gè)。工作面水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，8#煤層上方有3層灰?guī)r(L1、K2、L4)含水層。回采期間會有淋水，遇地質(zhì)構(gòu)造及頂板破碎帶時(shí)淋水量會增大，預(yù)計(jì)正常涌水量為20 m3/h，最大涌水量為60 m3/h，對回采有一定影響。在工作面上方66～81 m有14202、24101采空區(qū)，在采空區(qū)低洼處有少量積水。在14202工作面新切眼有1．0～1．5 m3/h的水常年流出，為補(bǔ)給水量。在回采過程中有采空區(qū)積水，有滯后導(dǎo)水的現(xiàn)象。

1．4 瓦斯含量及來源分析

根據(jù)東曲礦瓦斯涌出量預(yù)測報(bào)告及8#煤層瓦斯來源分析，本煤層占工作面瓦斯涌出量的40%，鄰近層占工作面瓦斯涌出量的60%，28202工作面回采時(shí)絕對瓦斯涌出量為34．25 m3/min。

2 立體式瓦斯抽采治理技術(shù)

2．1 立體式瓦斯抽采治理的機(jī)理

工作面瓦斯涌出主要是由于瓦斯、地應(yīng)力及瓦斯與地應(yīng)力綜合作用的結(jié)果，因此，降低工作面瓦斯涌出應(yīng)從以下方面入手：施工本煤層預(yù)抽采鉆孔，一方面可以為煤體中瓦斯提供更大的流動(dòng)通道;另一方面抽采鉆孔形成后由于煤層地應(yīng)力降低，透氣性增大，抽采瓦斯半徑擴(kuò)大，達(dá)到“卸壓增透增流”的作用。工作面回采期間由于煤體的缺失，造成采空區(qū)頂、底板受力變小，頂板垮落、底板隆起，形成大小不一的裂隙，通過上下鄰近層瓦斯抽采減少了工作面瓦斯涌出來源，降低了工作面絕對瓦斯涌出量，提高了工作面瓦斯抽采量和抽采率。

2．2 立體式瓦斯治理的應(yīng)用

28202工作面采用“U”型，軌順進(jìn)風(fēng)，皮順回風(fēng)，工作面配風(fēng)量2531 m3/min。28202工作面立體式瓦斯治理技術(shù)包括：28202雙巷本煤層預(yù)抽、上隅角抽采、采空區(qū)抽采、28202低抽巷(下鄰近層)本煤層抽采、28202高抽巷(頂板)抽采。建成從上到下，覆蓋整個(gè)回采工作面煤層的立體式瓦斯治理體系。28202工作面立體式瓦斯抽采治理示意圖見圖2。

圖2 28202工作面立體式瓦斯抽采治理示意圖

2．3 各抽采方法的鉆孔設(shè)計(jì)及抽采工程

2．3．1本煤層預(yù)抽鉆孔

28202軌道順槽(矩形斷面，凈寬4．5 m，凈高3．5 m，斷面為15．75 m2)在掘進(jìn)過程中施工本煤層預(yù)抽鉆孔，由于掘進(jìn)機(jī)、皮帶等因素影響，軌道順槽設(shè)計(jì)為鉆場鉆孔，設(shè)計(jì)9個(gè)鉆場，鉆場間距60 m，每個(gè)鉆場內(nèi)設(shè)計(jì)15個(gè)鉆孔成扇形分布，孔徑113 mm，孔深70 m和185 m，軌順鋪設(shè)1趟D250 mm抽采管路。由于軌道順槽施工的扇形鉆孔，不能完全覆蓋工作面傾向，故在28202皮帶順槽(矩形斷面，凈寬4．5 m，凈高3．5 m，斷面為15．75 m2)補(bǔ)施工抽采鉆孔，形成工作面全面覆蓋，無盲區(qū)?？组g距5 m，孔徑113 mm，孔深80 m，皮順鋪設(shè)1趟D250 mm抽采管路。

2．3．2 采空區(qū)抽采鉆孔

根據(jù)東曲礦瓦斯涌出量預(yù)測報(bào)告，28202工作面回采時(shí)絕對瓦斯涌出量34．25 m3/min，為保證工作面回采時(shí)瓦斯不超限，在相鄰巷道(28204軌道順槽，20 m保護(hù)煤柱)施工煤柱鉆孔(采空區(qū)鉆孔)，貫通點(diǎn)位于28202上隅角處，通過對采空區(qū)進(jìn)行抽采，降低工作面瓦斯涌出。采空區(qū)鉆孔參數(shù)：孔間距5 m，孔徑153mm，孔深22m，在28204軌道順槽鋪設(shè)1趟D315 mm抽采管路。

2．3．3 上隅角抽采

采煤工作面上隅角瓦斯超限問題，一直制約著工作面作業(yè)人員安全和產(chǎn)量提升，為解決此問題，在28202支架后面(上隅角處)懸掛抽采鐵籠子(固定在端頭支架側(cè)護(hù)板上，具體位置見圖3)，鋪設(shè)1趟D315 mm抽采管路與之聯(lián)接，通過移動(dòng)泵進(jìn)行抽采，利用低負(fù)壓引導(dǎo)上隅角瓦斯進(jìn)入抽采管路，保證了上隅角瓦斯一直處在低濃度狀態(tài)。此方法避免了以往上隅角埋管抽采管路的浪費(fèi)，達(dá)到了瓦斯管的循環(huán)利用，有效地降低了抽采成本。

圖3 上隅角抽采管路安設(shè)圖

2．3．4 低抽巷抽采

根據(jù)8#煤層瓦斯來源分析，鄰近層占工作面瓦斯涌出量的60%，故鄰近層的瓦斯抽采可以降低工作面的瓦斯涌出，在28202工作面下方8．94 m處(9#煤層)施工低抽巷，計(jì)劃服務(wù)于2個(gè)回采工作面。在低抽采巷兩幫施工抽采鉆孔，每隔5 m布置1個(gè)，孔徑113mm，孔深180m，共372個(gè)鉆孔，為了最大限度地提高瓦斯抽采效果，低抽巷內(nèi)所有鉆孔均不進(jìn)行封孔，巷道兩端封閉抽采，可以有效地預(yù)防回采期間低抽巷內(nèi)出現(xiàn)坍塌，影響抽采效果的情況。低抽巷采用倒梯形斷面，面積12．09 m2，管徑選用 DN500 mm鋼管。

2．3．5 高抽巷抽采

根據(jù)8#煤層瓦斯來源分析及回采工作面“三帶”分布，考慮28202工作面上方2#、4#煤已回采、7#煤未回采。與中國礦大合作，在距8#煤層29 m處的7#煤層頂板施工高抽巷，根據(jù)礦大提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，施工過程中分3個(gè)層位進(jìn)行布置，其中距工作面23～35 m，共布置了450 m;距工作面35～40 m共布置了475 m;距工作面40～45 m共布置了165 m;由距工作面45 m降到30 m共布置了230 m。巷道采用半圓拱斷面，面積8．89 m2。高抽采巷形成后，對巷道進(jìn)行密閉插管抽采，密閉墻厚1．8 m，中間填充混凝土，管徑選用DN500 mm鋼管。高、低抽巷層位關(guān)系示意圖見圖4。

圖4 高、低抽巷層位關(guān)系示意圖

2．3．6 抽采系統(tǒng)的選擇

根據(jù)8#煤層瓦斯來源分析，采用小沙巖地面固定抽采泵對28202本煤層及低抽巷進(jìn)行高負(fù)壓抽采，抽采管路與地面抽采系統(tǒng)相連。

28202采空區(qū)及上隅角由于接近采空區(qū)，抽采濃度偏低，但流量較大，故采用井下移動(dòng)泵進(jìn)行低負(fù)壓抽采。28202工作面上方2#、4#煤已回采完畢，無大量瓦斯對28202工作面產(chǎn)生影響，且28202高抽巷在工作面回采過程中由于地應(yīng)力造成裂隙與工作面采空區(qū)相連，大量氣體被引導(dǎo)進(jìn)入高抽巷，造成瓦斯?jié)舛鹊?，流量大，故也采用井下移?dòng)泵進(jìn)行抽采。28202工作面實(shí)現(xiàn)高、低濃度(高、低負(fù)壓)分源抽采。瓦斯抽采系統(tǒng)示意圖見圖5。

圖5 28202工作面瓦斯抽采系統(tǒng)示意圖

2．4 工作面抽采效果及分析

28202工作面自2011年10月開始生產(chǎn)，截止2012年5月31日共推進(jìn)758 m，期間28202工作面絕對瓦斯涌出量34．25 m3/min，28202本煤層平均抽采濃度40%，抽采量3．68 m3/min，低抽巷平均抽采濃度42%，抽采量12．21 m3/min，移動(dòng)泵平均抽采濃度9．6%(高抽巷抽采濃度13%，上隅角抽采濃度1．1%，采空區(qū)抽采濃度 1．6%)，抽采量 14．25 m3/min，工作面平均抽采率88%。工作面生產(chǎn)期間工作面瓦斯?jié)舛龋?．2%，上隅角瓦斯?jié)舛龋?．5%，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛龋?．5%，有效地降低了工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛龋瑢?shí)現(xiàn)了高瓦斯采煤工作面低瓦斯?fàn)顟B(tài)下生產(chǎn)。

2．4．1 本煤層抽采效果

28202本煤層預(yù)抽自2010年2月至2011年9月底，共預(yù)抽607天，累計(jì)抽采純瓦斯量296．98萬m3，抽采濃度平均為48%，工作面瓦斯?jié)舛葟木蜻M(jìn)時(shí)的3．6%降低至回采前的0．8%，有效地降低了本煤層瓦斯含量。自2011年10月至2012年5月31日回采期間，本煤層抽采隨著工作面走向縮短及本煤層抽采鉆孔的減少，抽采濃度及抽采量逐漸下降，見圖6。

圖6 28202工作面本煤層抽采濃度、抽采純量分析曲線圖

2．4．2 低抽巷抽采效果

28202低抽巷自9月抽采至今，隨著工作面的回采，采空區(qū)空間逐漸增大，受工作面周期來壓影響，造成低抽巷內(nèi)9#煤體卸壓，透氣性增大，瓦斯?jié)舛戎饾u上升，從剛回采時(shí)的28%升至36%，抽采量從4 m3/min提高至12．21m3/min。通過現(xiàn)場和觀測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當(dāng)回采工作面推至540 m時(shí)，低抽巷出現(xiàn)排水不正常，抽采負(fù)壓升高，通過連續(xù)3天的觀察，初步判定低抽巷內(nèi)部可能出現(xiàn)坍塌或積水淹沒，影響抽采效果，通過調(diào)整低抽巷兩端密閉墻抽采管路閥門狀態(tài)，保證了抽采的穩(wěn)定，可以得出低抽巷采用兩端抽采能夠避免因巷道異常造成抽采不穩(wěn)定。低抽巷抽采從工作面開始至今，抽采濃度及抽采量均在逐步上升，見圖7。

圖7 28202工作面低抽巷抽采濃度、抽采純量分析曲線圖

2．4．3 高抽巷抽采效果

由于高抽巷道所在層位上方4#煤采空區(qū)對它影響較小，下方工作面采空區(qū)受頂板周期來壓影響，采空區(qū)內(nèi)氣體通過頂板裂隙進(jìn)入高抽巷，隨著回采的推進(jìn)瓦斯?jié)舛戎饾u升高，到回采結(jié)束時(shí)瓦斯?jié)舛扔种饾u降低，相應(yīng)的抽采量也波動(dòng)變化，瓦斯?jié)舛葟膭傞_始的4%升至14%，后逐漸下降到13%，抽采量從3．3 m3/min提高至11．8 m3/min，見圖8。通過數(shù)據(jù)分析可得出高抽巷所在層位較低，處在冒落帶和裂隙帶之間。

圖8 28202工作面高抽巷抽采濃度、抽采純量分析曲線圖

2．4．4 采空區(qū)抽采效果

工作面回采一定距離后，后方采空區(qū)頂板形成懸臂梁，受礦山壓力，頂板地應(yīng)力逐步降低，受力折斷，形成頂板周期來壓，會造成采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍龃?。在頂板下次周期來壓期間，由于工作面風(fēng)流的摻入及瓦斯抽采負(fù)壓的引導(dǎo)，采空區(qū)濃度逐步下降。隨著下次的頂板周期來壓，采空區(qū)瓦斯?jié)舛扔謺龃螅什煽諈^(qū)瓦斯抽采濃度為頂板來壓期間抽采濃度增大，抽采量增大，頂板來壓過后至下次頂板來壓期間抽采濃度減小，抽采量減小，如此反復(fù)變化，形成一條折曲線，瓦斯?jié)舛葟幕夭蓵r(shí)的0．7%升至1．6%，抽采量從0．8 m3/min 提高至1．6 m3/min，見圖9。

2．4．5 上隅角抽采效果

工作面抽采用鐵籠子，隨著工作面推進(jìn)，一直處在上隅角位置，且采空區(qū)內(nèi)瓦斯受高抽巷、采空區(qū)的抽采，對上隅角影響較小，故上隅角抽采濃度及抽采量變化幅度較小，瓦斯?jié)舛葟幕夭蓵r(shí)的0．7%升至1．1%，抽采量從0．5 m3/min 提高至0．9 m3/min，見圖10。

圖10 28202工作面上隅角抽采濃度及抽采純量分析曲線圖

3 結(jié) 論

1)28202工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，工作面配風(fēng)量2 531 m3/min，絕對瓦斯涌出量4．25 m3/min，采用立體式瓦斯治理技術(shù)后，高負(fù)壓抽采系統(tǒng)平均抽采濃度41%，低負(fù)壓抽采系統(tǒng)平均抽采濃度9．6%，工作面抽采量30．14 m3/min，抽采率88%，大幅度降低了工作面回采期間瓦斯?jié)舛燃吧嫌缃峭咚钩薮螖?shù)。

圖10 28202工作面上隅角抽采濃度及抽采純量分析曲線圖

2)28202工作面回采期間曾出現(xiàn)過兩次因地面抽采泵和井下移動(dòng)抽采泵停泵檢修，致使工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瓤焖偕仙僚R界值，工作面被迫臨時(shí)停止生產(chǎn)事件，也證明了28202抽采的重要作用。

3)28202工作面采用立體式瓦斯治理技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)了人員和設(shè)備的安全作業(yè)，提高了工作面推進(jìn)速度，每天推進(jìn)6 m，日產(chǎn)量達(dá)到10 000 t，提高了工作面生產(chǎn)效率。