近距離煤層群采煤面瓦斯綜合治理方案探究

梁旺亮 趙文曙

（山西焦煤能源集團股份有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

西銘煤礦隸屬于山西焦煤集團公司，屬國有大型礦井，設計能力360 萬t/a，服務年限50 a，主采2#、8#、9#煤層。隨著向深部開采，瓦斯涌出量顯著增加，2020 年瓦斯等級鑒定為高瓦斯礦井，瓦斯絕對涌出量91.12 m3/min，相對涌出量16.27 m3/t，采掘面采用“立體化、模式化、多層位、全覆蓋”抽采工藝。

1 工作面概況及瓦斯來源分析

48708 采煤面位于北七盤區(qū)，上覆2#煤層已開采，2#煤與8#煤層間距90 m，相鄰面留設煤柱25 m，蓋山厚度184～336 m，平均259 m。工作面煤的厚度僅0.63 m，全區(qū)不可采，8#下煤厚度3.00 m，全區(qū)可采，夾均厚2.08 m 夾石層，為砂質頁巖。煤原始瓦斯含量8.43 m3/t，瓦斯壓力0.36 MPa，煤層總厚5.71 m，傾角1°～4°，可采走向長1020 m，傾斜長220 m。老頂為石灰?guī)r，均厚8.80 m，直接頂為石灰?guī)r，均厚2.81 m。采用走向長壁后退式布置，綜合機械化采煤，頂板管理采用全部垮落法。煤巖層特征柱狀圖見表1。

表1 煤巖層特征柱狀圖

工作面絕對瓦斯涌出量35 m3/min，其中鄰近層瓦斯比例占36%。抽采區(qū)域可劃分為三個單元，即本層8#煤、下鄰9#煤、8#煤采空區(qū)。8#煤經預抽2年后，本層涌出量降低，抽采量比例為：本層9.2%，鄰層17.9%，采空區(qū)72.9%。經研究，治理重點須放在采空區(qū)治理環(huán)節(jié)。

2 瓦斯綜合治理技術

8#煤及9#煤屬低透氣性煤層，煤解析瓦斯量低，預抽不理想，尤其是即將揭露構造前，瓦斯涌出量更為異常。低透氣性煤通常采取裂隙增透技術，將瓦斯從吸附態(tài)轉換成游離態(tài)。為此，西銘煤礦采用下行穿層鉆孔治理鄰近層9#煤，采用水力割縫、CO2預裂增透來強化裂隙發(fā)育度[1-4]。針對采空區(qū)瓦斯比例大的特點，補充施工孔徑為165 mm 大孔徑高位裂隙帶走向長鉆孔代替高抽巷，施工孔徑為113 mm 穿煤柱高位裂隙帶短鉆孔增強抽采，施工孔徑為480 mm 穿煤柱大孔徑鉆孔補強巷抽效果。根據(jù)瓦斯來源不同，抽采濃度、抽采流量差異較大，采用了高濃低流、低濃高流的分源抽采模式。

2.1 高位裂隙長走向大孔徑鉆孔代替高抽巷

施工鉆場2 個，在鉆場內施工高位裂隙巖孔：1#鉆場布置6 個，孔深510 m；2#鉆場布置6 個，孔深630 m。施工鉆孔12 個，進尺6840 m。鉆孔布置方式：1#鉆孔垂高38.4 m，距巷幫25 m；2#鉆孔垂高38.4 m，距巷幫20 m；3#鉆孔垂高38.4 m，距巷幫15 m；4#鉆孔垂高32 m，距離巷幫10 m；5#鉆孔垂高19 m，距巷幫2 m；6#鉆孔垂高19 m，距巷幫-1 m。澳鉆鉆孔施工參數(shù)表見表2。

表2 澳鉆鉆孔施工參數(shù)表

高位頂板裂隙長走向大孔徑鉆孔參數(shù)：

在回風順槽鉆場內各補充2 個頂板走向長鉆孔：1#鉆場布置2 個，孔深519 m；2#鉆場布置2 個，孔深441 m。進尺1920 m。

鉆孔施工要求：1#鉆孔垂高55 m，距巷幫70 m；2#鉆孔垂高50 m，距巷幫60 m。

鉆孔參數(shù)及鉆具裝備見表3。

經對比，將高位孔垂高設計在50～55 m，與回風順槽距離增加至60～70 m 后，大孔徑鉆孔可替代高抽巷，單孔抽采純量最高8 m3/min，一般單孔抽采純量介于1～4 m3/min 之間，單孔濃度最高90%，效果顯著。

表3 頂板大孔徑鉆孔施工參數(shù)及施工鉆具設備參數(shù)表

2.2 穿煤柱大孔徑鉆孔替代密閉巷抽

施工橫貫密閉巷抽采空區(qū)瓦斯，效果好，但橫貫存在施工工期長、支護費用高、掘進無效進尺多、廢棄后需永久密閉等諸多缺陷。通過施工穿煤柱大孔徑鉆孔替代密閉巷抽的瓦斯抽采效果同樣有效。在48708 回風順槽與48706 回風順槽煤柱間施工10個大孔徑巖孔，有效地控制住了上隅角瓦斯。鉆孔從48706 回風順槽往48708 回風順槽施工，1#～9#橫貫每兩個橫貫間施工1 個鉆孔，孔徑480 mm，鉆孔傾角4°，與巷道夾角90°，孔深26 m。

2.3 穿煤柱高位裂隙帶短鉆孔補強抽采

在相鄰48706 回風順槽內從第9#橫貫向外40 m 處開始施工鉆孔，終端伸入48708 工作面內，投影距20 m，鉆場間距20 m，孔徑Ф113 mm，每個鉆場布置2 個孔，1#、2#孔開孔位置在巷道頂、幫交界處。高位裂隙帶鉆孔垂高為27.2 m、30.6 m、34 m、40.8 m、47.6 m、51 m、54.4 m、61.2 m，傾角24°～47°，鉆孔與巷道夾角45°、48°，孔深范圍62～87 m。施工鉆場50 個，鉆孔100 個。

2.4 下鄰近層穿層鉆孔

因相鄰區(qū)域多為采空區(qū)，受條件限制，無法布置底抽巷。48708 采煤面治理下鄰近層9#煤層瓦斯時，從回風順槽向下覆9#煤層施工下穿層預抽鉆孔來抽采9#煤層。鉆孔在48708 回風順槽內布置，鉆孔間距6 m，孔徑113 mm，鉆孔與巷道夾角90°，傾角-5°，孔深132 m，開孔距底板1.2 m，鉆孔125 個，覆蓋下鄰近層44.5%的區(qū)域，消除了底板瓦斯冒泡隱患。

9#煤層預抽鉆孔剖面見圖1。

圖1 9#煤層預抽鉆孔剖面圖

鉆孔施工參數(shù)見表4。

表4 9#煤層下穿層鉆孔施工參數(shù)表

2.5 優(yōu)化抽采管網

48708 采煤面處于冀家溝地面抽采泵站附近，利用舊管網系統(tǒng)，則管路需多敷設繞道約4000 m，管網阻力大。管路敷設在北七右翼回風巷與低負壓抽采管對接，則距離縮短2000 m，負壓提升多，抽采量提高。采空區(qū)采用舊系統(tǒng)抽采混合量為187 m3/min，不足以牽制上隅角；而采用新系統(tǒng)抽采混合量為296 m3/min，可使切頂線處風流逆向，使得上隅角瓦斯下降至0.70%以下，抽采純量4 m3/min以上。

2.6 弱化頂板減少懸頂

頂板為致密石灰?guī)r，是瓦斯賦存的優(yōu)良覆蓋層，導致甲烷等有害氣體不能通過隔絕層逸散至大氣層，又造成采煤后采空區(qū)懸頂大，易造成局部瓦斯積聚。為確保頂板能充分垮落，在回風順槽超前架外施工切頂卸壓鉆孔，弱化堅硬頂板。在回風順槽超前支架5 m 外，距煤柱幫1 m 處施工切頂卸壓鉆孔，鉆孔采用“之”字型布置，從煤柱幫施工1#切頂卸壓鉆孔，間隔3 m 在煤體幫施工2#切頂卸壓鉆孔，間隔3 m 在煤柱幫施工3#切頂卸壓鉆孔，依此類推施工。鉆孔與切眼夾角0°，傾角35°，孔徑Ф113 mm，孔深40 m，每排1 個鉆孔。鉆孔采用二氧化碳預裂，通過施工密集切頂卸壓孔，鉆孔打穿“毛兒溝灰?guī)r”頂板，破壞了堅硬頂板整體性，降低了頂板強度，直接頂因上覆巖層載荷作用，使頂板隨采隨落。

切頂卸壓鉆孔布置見圖2。

圖2 切頂卸壓鉆孔布置圖

3 效益分析

工作面瓦斯絕對涌出量為35 m3/min，通過采取增透措施、強化抽采手段、優(yōu)化抽采管網等，回風流瓦斯穩(wěn)定在0.40%以下。初采期間，配風量為3000 m3/min，日產4000 t，經治理后，配風量降至1850 m3/min，日產7000 t，風排量7.40 m3/min，抽采量27.60 m3/min，抽采率78.86%，為高產高效創(chuàng)造了安全條件。

4 結語

雖然瓦斯治理手段眾多，但要取得好的治理效果，必須因地制宜、因礦制宜、因時制宜，選擇適合礦井和工作面的瓦斯治理方案。48708 采煤面為西山煤田8#煤的典型代表，采用上述綜合瓦斯治理方案在實踐中取得了明顯成效，也為西山礦區(qū)瓦斯治理提供了豐富的實踐方案和經驗數(shù)據(jù)，具有一定的指導意義。