賀西煤礦瓦斯災(zāi)害綜合防治技術(shù)體系研究

閆志強

（汾西礦業(yè)集團公司通風處，山西省介休市，032000）

賀西煤礦瓦斯災(zāi)害綜合防治技術(shù)體系研究

閆志強

（汾西礦業(yè)集團公司通風處，山西省介休市，032000）

針對賀西煤礦煤層瓦斯賦存及地質(zhì)條件，采取保護層開采技術(shù)治理煤層瓦斯，消除其突出危險性。形成了地面鉆孔抽采與井下鉆孔抽采相結(jié)合、卸壓抽采與預抽相結(jié)合、穿層鉆孔與順層鉆孔相結(jié)合、采前抽采與采中抽采相結(jié)合的立體瓦斯抽采模式，結(jié)合分煤層工作面采取不同的通風方式，取得了顯著的瓦斯抽采效果。

瓦斯抽采 保護層開采 穿層鉆孔 順層鉆孔 Y型通風 U型通風

1 礦井概況及突出危險性分析

1.1 礦井概況

賀西煤礦隸屬于山西汾西礦業(yè)集團 （有限）責任公司，礦區(qū)面積18.908 km2，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力240萬t／a。含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，山西組含煤3～5層，太原組含煤5～7層，其中3＃、4＃、8＃、10＃煤層全井田可采，目前礦井開采3＃、4＃煤層。受區(qū)域構(gòu)造的影響，井田構(gòu)造總體為走向北西、傾向南西的單斜構(gòu)造。目前賀西礦井開拓方式為斜-立井開拓，分別由位于主工業(yè)場地的主斜井、副斜井、副立井、回風立井、獨胡峁回風立井5個井筒開拓全井田。礦井設(shè)兩個水平開采。

1.2 突出危險性分析

隨著開采水平逐步向深部延伸，煤層瓦斯壓力及煤層瓦斯含量均隨埋深的增加而增大，煤層的突出危險性越來越強。在現(xiàn)有的瓦斯測定參數(shù)中，3＃煤層有3個測壓孔測定的煤層瓦斯壓力超過突出臨界值0.74 MPa，分別為1.19 MPa（埋深為468 m）、1.52 MPa （埋深為468 m）、0.84 MPa（埋深為430 m）；4＃煤層有2個測壓孔測定的煤層瓦斯壓力超過突出臨界值0.74 MPa。由此可以判斷3＃、4＃煤層的深部區(qū)域具有突出危險性，煤層深部區(qū)域在采掘之前必須采取區(qū)域性的綜合防突措施。

2 區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)

2.1 保護層開采技術(shù)

賀西煤礦主采3＃煤層和4＃煤層，兩者層間距較小，只有13 m左右，屬于近距離煤層群開采條件，且兩煤層瓦斯賦存規(guī)律基本相同，在深部均具有突出危險性。

賀西煤礦從2000年開始采用保護層開采技術(shù)，將3＃煤層做為保護層，4＃煤層做為被保護層。開采3＃煤層的同時對4＃煤層進行打鉆預抽和開采卸壓，有效保證了4＃煤層的安全回采。3＃煤層瓦斯抽采主要采用密集順層鉆孔、密集穿層鉆孔等預抽煤層瓦斯技術(shù)消除其突出危險性，4＃煤層瓦斯抽采采用卸壓瓦斯抽采技術(shù)消除其突出危險性。截至目前，共回采保護層工作面22個，其中，二采區(qū)11個 （2301～2311），三采區(qū)11個 （3301～3311）。保護層開采情況見表1。

表1 保護層開采情況表

2.2 保護層 （3＃煤層）區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)

2.2.1 煤巷條帶消除危險性措施

（1）底抽巷布置?？紤]到順層鉆孔可施工400～500 m，在傾向上可覆蓋兩個工作面，因此決定在傾向上兩個回采工作面施工1條底抽巷。從3314預抽巷到中嵋芝風井長約1640 m，其間共布置工作面8個，需施工底抽巷4條。為便于底抽巷施工，計劃將底抽巷布置在6＃煤層中，沿6＃煤層底板掘進，巷道斷面15 m2。

（2）穿層鉆孔布置。直接從底抽巷內(nèi)向煤層施工網(wǎng)格式密集穿層鉆孔，預抽煤層瓦斯，力爭在較短的時間內(nèi)區(qū)域性消除工作面煤巷條帶煤體的突出危險性，底板巖巷穿層鉆孔布置如圖1所示。

圖1 底板巖巷穿層鉆孔布置平面圖

底板巷道須布置鉆場，鉆場在巷道內(nèi)均勻布置，鉆場尺寸應(yīng)能滿足大功率鉆機施工的需要，一般不小于12.25 m2（3.5 m×3.5 m）。穿層鉆孔直徑不小于90 mm，在傾向上每組布置7個鉆孔，鉆孔間距5 m，鉆孔間距以3＃煤層中厚線為準，鉆孔穿透煤層，進入煤層頂板0.5 m；在走向上每隔12 m施工一組鉆孔?？筛鶕?jù)抽采效果后期在兩組鉆孔之間另補充鉆孔。鉆孔在煤層內(nèi)均勻布置，施工完成后鉆孔在煤層上應(yīng)呈規(guī)則的長方形網(wǎng)格狀布置。穿層鉆孔可用水泥砂漿封孔，封孔長度在8 m以上，抽采負壓在25 k Pa以上，抽采時間不小于5個月。待煤巷條帶消除危險后便可施工3＃、4＃煤層的煤層巷道。

2.2.2 工作面煤體消除危險性措施

3＃煤層工作面開采區(qū)域采用順層鉆孔瓦斯抽采方式消除其突出危險性。3＃煤層順層鉆孔布置如圖2所示，從開掘出的3＃煤層巷道中沿煤層施工上向順層鉆孔，鉆孔施工長度約為兩個工作面長度，即400 m，鉆孔直徑不小于90 mm，鉆孔間距5～6 m，抽采時間不小于4個月，抽采效果滿足防突規(guī)定要求。

圖2 3＃煤層順層鉆孔布置平面圖

2.3 被保護層 （4＃煤層）區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)

由于3＃、4＃煤層為近距離煤層群，3＃煤層開采對4＃煤層造成卸壓影響，且3＃煤層開采過程中4＃煤層瓦斯將涌入3＃煤層工作面，因此4＃煤層的順層抽采鉆孔必須在3＃煤層開采前施工結(jié)束，用于3＃煤層采動作用下形成的4＃煤層卸壓瓦斯。

4＃煤層順層鉆孔布置如圖3所示，從開掘出的4＃煤層巷道中沿煤層施工上向順層鉆孔，鉆孔施工長度約為兩個工作面長度，即400 m，鉆孔直徑不小于90 mm，由于4＃煤層為卸壓瓦斯抽采，鉆孔間距可比5～6 m適當放大。抽采時間根據(jù)對應(yīng)上部3＃煤層工作面的開采時間確定，要求3＃煤層開采后再抽采不小于2個月的時間，抽采效果滿足防突規(guī)定要求。

圖3 4＃煤層順層鉆孔布置平面圖

2.4 地面鉆井水力壓裂瓦斯抽采技術(shù)

地面鉆井抽采可在井下采掘巷道施工之前進行，有利于解決煤礦常出現(xiàn)的 “抽、掘、采”接替緊張局面。為此在礦井的規(guī)劃區(qū)與晉城藍焰集團公司合作開展了地面鉆井瓦斯抽采，由于煤層透氣性較差，需要對3＃、4＃煤層分別進行水力壓裂，增加煤層的透氣性。地面壓裂鉆井結(jié)構(gòu)如圖4所示。水力壓裂施工需要專用的壓裂泵、加砂器等裝備，一般采用專業(yè)壓裂車隊進行施工。在施工前必須有專門的壓裂施工設(shè)計，壓裂施工過程一般分為打前置液、加支撐劑、打替置液等幾個階段。通過壓裂形成裂隙并利用固體支撐確保裂縫長期存在，增加煤層透氣性，進而提高地面鉆井瓦斯抽采效果。目前施工地面鉆井約40余口。

圖4 地面壓裂鉆井結(jié)構(gòu)示意圖

3 工作面通風方式

3.1 保護層3＃煤層工作面Y型通風方式

賀西煤礦采用下行開采順序，保護層3＃煤層首先開采，開采過程中涌出的瓦斯不僅有本煤層瓦斯，還有鄰近層4＃煤層瓦斯，瓦斯涌出量大，為此3＃煤層工作面采用側(cè)機巷、軌道巷進風，采空區(qū)側(cè)沿空留巷回風的Y型通風方式。沿空留巷尾部通風壓力最低，工作面漏風進入采空區(qū)后攜帶瓦斯向沿空留巷尾部方向運移，造成采空區(qū)沿空留巷側(cè)及后部瓦斯?jié)舛容^高，而靠近工作面?zhèn)日w瓦斯?jié)舛容^低，不存在上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，有助于工作面的開采安全。

3.2 被保護層4＃煤層工作面U型通風方式

由于保護層開采過程中被保護層4＃煤層瓦斯得到大量的釋放與抽采，4＃煤層開采過程中瓦斯涌出量小，采用U型通風方式可以滿足工作面的安全開采要求。U型通風包括一條進風巷道和一條回風巷道，部分風量從工作面下部漏風進入采空區(qū)后，然后從工作面上部攜帶瓦斯排出進入回風巷，造成上隅角附近瓦斯?jié)舛容^高，另外，由于采空區(qū)后部瓦斯沒有排放通道，隨著工作面的開采，采空區(qū)后部積聚有大量高濃度瓦斯。為防止上隅角瓦斯超限，常采用采空區(qū)埋管、上隅角插管、頂板走向鉆孔等措施抽采瓦斯。

4 工作面開采期間瓦斯抽采措施

4.1 Y型通風工作面回采期間瓦斯抽采措施

（1）沿空留巷埋管瓦斯抽采。在工作面開采過程中可利用沿空留巷對采空區(qū)瓦斯進行埋管抽采。在進行巷幫充填過程中需要在墻體內(nèi)鋪設(shè)抽采支管。沿工作面推進方向在充填墻體內(nèi)每隔6 m鋪設(shè)1根支管，支管通過三通與主管路連同，每個支管上安設(shè)閥門，根據(jù)支管的抽采量濃度、抽采量情況關(guān)閉相關(guān)閥門，減小抽采負壓損失。抽采支管直徑200 mm，長度為3.5 m，抽采支管口距離充填垛內(nèi)墻不大于0.3 m，支管口采用花管及金屬網(wǎng)罩防護，高度位于充填垛中上部。沿空留巷采空區(qū)埋管如圖5所示。

圖5 沿空留巷采空區(qū)埋管示意圖

（2）傾向穿層鉆孔抽采。目前3＃煤層工作面布置有材料巷、運輸巷和回風巷3條巷道，充分利用回風巷，從回風巷中向煤層工作面頂板施工傾向穿層鉆孔，抽采裂隙帶內(nèi)的瓦斯，減小采空區(qū)瓦斯向工作面的涌入。傾向穿層鉆孔直徑94 mm，鉆孔間距6 m。鉆孔布置如圖6所示。

圖6 頂板穿層鉆孔布置示意圖

4.2 U型通風工作面回采期間瓦斯抽采措施

（1）上隅角埋管瓦斯抽采。4＃煤層工作面開采過后，采空區(qū)頂板巖層冒落，采空區(qū)傾向上部由于區(qū)段煤柱的支撐作用，在一定時期內(nèi)形成一個三角形空間，這為采空區(qū)瓦斯流動及匯集提供了條件。針對這種低負壓、大流量瓦斯抽采，采用了采空區(qū)埋管抽采。

圖7 采空區(qū)埋管瓦斯抽采平面示意圖

采空區(qū)埋管瓦斯抽采如圖7所示。首先沿回采工作面的回風巷上幫鋪設(shè)一條直徑不小于250 mm的瓦斯管路 （干管），在管路上每隔25 m安設(shè)一個三通，并安設(shè)閥門；在開切眼側(cè)的第一個三通（1＃三通）處將直徑為108 mm橡膠埋吸管 （支管）與主瓦斯抽采管連接，橡膠埋吸管長30 m，橡膠埋吸管的末端連接瓦斯抽采器 （橡膠埋吸管與瓦斯抽采器不可回收）；隨著工作面向前推進，橡膠埋吸管與瓦斯抽采器逐漸進入采空區(qū)內(nèi)部開始抽采瓦斯，采取交替邁步的抽采方式，對工作面后方5～30 m范圍的采空區(qū)實現(xiàn)連續(xù)抽采。

（2）頂板走向鉆孔瓦斯抽采。從運輸巷中每隔一定距離施工斜巷進入煤層頂板，在煤層頂板中開挖鉆場。從鉆場中向工作面采空區(qū)方向施工5～10個頂板走向鉆孔，鉆孔長度根據(jù)鉆機的施工能力確定，但一般不小于80 m，鉆孔開孔位置距煤層頂板不小于0.5 m，沿傾斜方向鉆孔控制風巷向下40 m的范圍，在垂向上鉆孔終孔一般布置在垮落帶頂部和斷裂帶下部區(qū)域。為保證工作面過鉆場時頂板鉆孔的抽采效果，前后鉆場鉆孔壓茬不小于30 m，頂板走向鉆孔布置見圖8。在工作面采動作用下，上覆巖層冒落，形成裂隙。在孔口負壓和瓦斯浮力的作用下，大量采空區(qū)瓦斯進入頂板裂隙中，并沿頂板走向鉆孔進入礦井抽采管網(wǎng)，實現(xiàn)采空區(qū)瓦斯抽采、減少采空區(qū)瓦斯向工作面涌入的目的。也可從回風巷中向煤層頂板施工鉆場。

圖8 頂板走向鉆孔布置示意圖

5 瓦斯治理效果分析

通過近3年來的區(qū)域性瓦斯治理，賀西煤礦安全狀況得到根本性改變。礦井瓦斯抽采量大幅度提升，礦井瓦斯抽采率由2010年的50.61%提高到2012年的57%，工作面風排瓦斯?jié)舛扔?.36%降到0.20%，瓦斯超限次數(shù) 由31次降至4次，實現(xiàn)了煤礦的安全生產(chǎn)。

［1］俞啟香，程遠平 .礦井瓦斯防治 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2012

［2］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定 ［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2009

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Research on comprehensive control techniques of gas disaster in Hexi Coal Mine

Yan Zhiqiang
（Department of Ventilation，F(xiàn)enxi Mining Group Co.，Ltd.，Jiexiu，Shanxi 032000，China）

According to the occurrence of coal seam gas and the geological condition of Hexi Coal Mine，the mining technique of protective seam was used to control coal seam gas and to avoid the gas outburst.The comprehensive gas drainage mode was established，including gas drainage from surface and underground boreholes，pressure relief drainage combined pre-drainage，drilling through and along coal seam，as well as drainage before and during mining.Combine with different ventilation modes for different coal seams，the satisfied gas drainage effect was obtained.

gas drainage，mining of protective seam，drilling through coal seam，drilling along coal seam，Y-type ventilation，U-type ventilation

TD712

A

閆志強 （1980-），男，山西右玉人，本科學歷，現(xiàn)任汾西礦業(yè)集團賀西煤礦總工程師，長期從事通風安全方面的研究工作。

（責任編輯 張艷華）