鄰近層瓦斯抽放技術(shù)在寺河礦二號井的應(yīng)用

張志強

（晉城煤業(yè)集團 寺河礦，山西 晉城 048019）

隨著煤礦開采量及開采深度的加大，一些低瓦斯礦井逐漸變?yōu)楦咄咚沟V井和突出礦井[1-2]，礦井瓦斯的防治工作成為關(guān)鍵因素和難點[3]。晉煤集團寺河礦二號井隨著產(chǎn)量的增加和生產(chǎn)區(qū)域的延伸，礦井瓦斯涌出量大幅度增長；在9 號煤回采中，遇到工作面上隅角瓦斯超限問題，嚴重威脅礦井的安全生產(chǎn)。結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)生產(chǎn)條件分析，3 號煤層開采后采空區(qū)瓦斯經(jīng)采動裂隙不斷運移至9 號煤上鄰近層，9 號煤回采中，由于受采動影響，上鄰近層瓦斯經(jīng)層間裂隙涌入采空區(qū)，造成工作面上隅角瓦斯超限。因此，對9 號煤層鄰近層瓦斯的治理工作成為9 號煤層開采中的關(guān)鍵問題。

1 礦井概況

寺河礦二號井位于寺河井田東區(qū)的東部，改擴建后，設(shè)計生產(chǎn)開采9 號和15 號煤層。寺河礦二號井原設(shè)計為低瓦斯礦井，但隨著生產(chǎn)能力的增加，礦井瓦斯涌出量大幅增長，2007 年礦井絕對瓦斯涌出量達67.15 m3/min，相對瓦斯涌出量為15.91m3/min，成為高瓦斯礦井。

9 號煤位于太原組三段下部，上距3 號煤50.01 m，下距15 號煤層29.03 m，厚度0.48～2.58 m，均厚1.52 m，含夾矸0～4 層，夾矸厚度一般小于0.2 m，結(jié)構(gòu)為簡單復(fù)雜型，煤層變異系數(shù)33%，可采系數(shù)96%，屬較穩(wěn)定可采煤層。頂板多為粉砂巖；局部為砂巖，底板北部多為粉砂巖，南部多為石灰?guī)r。根據(jù)重慶煤科院的測定結(jié)果，9號煤層的原始瓦斯含量11.11～12.22 m3/t，瓦斯壓力0.34～0.42 MPa，煤層透氣性系數(shù)0.001 6～0.091 488 m2/（MPa2·d），瓦斯總儲量178.87 Mm3。

2 鄰近層瓦斯涌出的特征規(guī)律

2.1 鄰近層瓦斯涌出的現(xiàn)象

開采煤層后，上部煤巖體的冒落、彎曲下沉、移動，導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)重新分布，引起煤巖層的離層、煤巖體中孔隙率和裂隙增加、形成層間空隙，這種層間空隙不僅是卸壓瓦斯的儲存地點，也是良好的流通通道。下部地層的承壓狀態(tài)，由原先承受整個上覆地層變?yōu)閮H承受開采層以下的部分地層，巖層的自重應(yīng)力大為降低，形成下部煤巖卸壓區(qū)[4]，引起煤巖層的膨脹變形和透氣性的大幅度提高，在其影響范圍內(nèi)鄰近層的煤巖中的瓦斯，將會通過裂隙向采掘空間流動，使其瓦斯涌出量成倍增加[5]。

2.2 鄰近層瓦斯涌出特征規(guī)律

鄰近層瓦斯涌出量主要取決于鄰近層的瓦斯含量，鄰近層的瓦斯排放率，鄰近層距開采層的厚度、回采工作面的推進速度等[4]。鄰近層的原始瓦斯含量越大、瓦斯排放率越低，瓦斯涌出量越大；而在一定地質(zhì)開采條件下，鄰近層瓦斯排放程度隨層間距的加大而減小，到某臨界距離時，瓦斯排放作用消失[6]，這表明鄰近層距開采層的厚度越大，瓦斯涌出量越小；工作面推進速度越快，瓦斯涌出量越小，主要是因為工作面推進速度的加快使得圍巖變形與破壞的速度變緩，圍巖產(chǎn)生的裂隙大小和數(shù)量也變小。

3 鄰近層瓦斯的抽放技術(shù)

3.1 鄰近層瓦斯的抽放方法

鄰近層瓦斯抽放技術(shù)（尤其是上鄰近層瓦斯抽放技術(shù)）是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的最成熟的技術(shù)[7]。主要原理是利用采動引起的煤巖體裂隙，使煤巖層透氣性系數(shù)增加、瓦斯流動性增強，在鄰近煤層中打鉆孔、布置抽放管路抽放，降低鄰近煤層中的瓦斯含量。鄰近層瓦斯抽放技術(shù)可有效解決本工作面開采中本工作面及工作面上隅角瓦斯超限問題；其抽放方法可分為地面鉆孔抽放法、井下鉆孔抽放法、頂板巷道結(jié)合鉆孔抽放法。

3.2 瓦斯抽放的管路設(shè)計

根據(jù)瓦斯抽放管服務(wù)的范圍和所擔負輸送抽放量的大小，其管徑按下式計算：

式中：D 為瓦斯管內(nèi)徑，m；V 為管道中混合瓦斯的經(jīng)濟流速，m/s；QH為管內(nèi)混合瓦斯流量，m3/min。根據(jù)現(xiàn)場情況，式中參數(shù)取值如表1 所示。將表中參數(shù)代入式（1）得出抽放主管路內(nèi)徑378 mm，抽放支管路內(nèi)徑246 mm。瓦斯抽放管路設(shè)計留有一定富裕系數(shù)，最終確定主管采用直徑450 mm 厚26.7 mm 的聚乙烯管，支管采用直徑280 mm 厚16.6 mm 的聚乙烯管，各管之間均用法蘭連接。

表1 參數(shù)取值表

3.3 瓦斯抽放的鉆孔布置

根據(jù)采掘布置及上隅角瓦斯治理經(jīng)驗，采用頂板走向長鉆孔和鄰近巷道傾向鉆孔抽放。見圖1-a，鉆場間距50 m，每個鉆場布置10 個孔，1～5 號鉆孔長度100 m，傾角13°，方位角分別為9°、10°、11°、13°和15°；6～10 號鉆孔長度75 m，傾角19°，方位角分別為16°、18°、20°、22°和24°。見圖1-b，從鄰近巷道向回風(fēng)巷頂板打鉆孔，兩巷道之間留有30 m 煤柱，鉆場間距50 m，每個鉆場布置10 個鉆孔，鉆孔長度75 m，鉆孔底端距離6 m，1～4 號鉆孔傾角21°，方位角分別35°、28°、21°和12°；5～10 號鉆孔傾角22°，方位角分別為3°、6°、15°、23°、29°和36°，兩鉆場鉆孔交叉距離10 m。

3.4 鄰近層瓦斯的抽放系統(tǒng)

寺河礦二號井建立有抽放系統(tǒng)，開采9 號煤時采用頂板走向長鉆孔和鄰近巷道傾向鉆孔方式抽放鄰近層瓦斯，工作面抽放的瓦斯由回風(fēng)巷管路沿三、四盤區(qū)的集中回風(fēng)巷抽放，主管輸送至井下移動式瓦斯抽放泵站，再由管道井輸送至地面。瓦斯抽放泵站抽放能力28 m3/min 純瓦斯，主管滿足各盤區(qū)2 個工作面抽放能力，達到礦井抽放系統(tǒng)的要求隨管路，移動式瓦斯抽放泵站位于井下三、四盤區(qū)之間的西軌運輸巷與西一回風(fēng)巷的聯(lián)絡(luò)巷中，服務(wù)于礦井三、四盤區(qū)，見圖2。

圖1 鉆孔布置示意圖

圖2 瓦斯抽放泵站設(shè)備布置示意圖

4 鄰近層瓦斯抽放工程的效果

礦井鄰近層瓦斯抽放系統(tǒng)運行后，分別在93305、93307、94305 和93308 工作面進行了試驗。其中93305 和93307 工作面采用鄰近巷道傾向鉆孔抽放。抽放后93305工作面上隅角瓦斯?jié)舛?.3 %～0.6 %，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?.2%～0.4%，瓦斯抽放量12 m3/min，采面抽放率71.0 %，抽放濃度45%，該工作面累計抽放瓦斯量644.65 萬m3。抽放后93307 工作面上隅角瓦斯?jié)舛?.4%～0.8 %，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?.4 %～0.7 %，瓦斯抽放量15 m3/min，采面抽放率65.2 %，抽放濃度35 %，該工作面累計抽放瓦斯量417.79 萬m3。94305 和93308 工作面采用頂板走向長鉆孔進行瓦斯抽放。抽放后94305 工作面上隅角瓦斯?jié)舛?.6 %～0.8 %，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?.5%～0.8 %，瓦斯抽放量21 m3/min，采面抽放率72.4 %，抽放濃度46 %，該工作面累計抽放瓦斯量360.59 萬m3。抽放后93308 工作面上隅角瓦斯?jié)舛?.3%～0.6%，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?.2%～0.5%，瓦斯抽放量11 m3/min，采面抽放率75.9%，抽放濃度62%，該工作面累計抽放瓦斯量174.49 萬m3。

寺河礦二號井鄰近層瓦斯抽放系統(tǒng)投運以來，累計抽放瓦斯純量2 340.66 萬m3，抽放濃度基本穩(wěn)定在35%～45 %左右，礦井安全生產(chǎn)原煤產(chǎn)量268 萬t，經(jīng)濟效益3 億元。

5 結(jié)束語

鄰近層卸壓瓦斯（尤其是上鄰近層卸壓瓦斯）涌出量, 有時會比開采煤層瓦斯涌出量大幾倍甚至幾十倍，嚴重影響本工作面的生產(chǎn)。寺河礦二號井鄰近層瓦斯抽放系統(tǒng)的建設(shè)，成功地解決了該礦9 號煤層開采中遇到的工作面上隅角瓦斯超限問題，為安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。

[1] 夏新川,張秀才,王士濤,等.工作面上隅角瓦斯運移積聚及處理措施[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2001,29(6)∶5-8,14.

[2] 王魁軍,張興華.中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].中國煤層氣,2006,3(1)∶13-16,39.

[3] 張永生.采煤工作面上隅角瓦斯超限原因分析及對策[J].礦山壓力與頂板管理,2005(2)∶116-117.

[4] 林柏泉,張建國.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1996.

[5] 黃建平.近距離鄰近層瓦斯抽放技術(shù)探討[J].陜西煤炭，2008(5)∶26-27.

[6] 陳大力.煤層開采時鄰近層瓦斯涌出規(guī)律的研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1995,23(10)∶26-29.

[7] 馬晨曉,陶建國,楊欣成.上鄰近層瓦斯抽放鉆孔參數(shù)設(shè)計探討[J].焦作大學(xué)學(xué)報,2003(1)∶48-50.