汾西中興煤業(yè)1207 保護層工作面初采初放瓦斯治理研究

鄭 杰 ，張 洋 ，劉子文

（1. 山西汾西中興煤業(yè)有限責任公司，山西 呂梁 033000；2. 山西汾西香源煤業(yè)有限責任公司，山西 呂梁 033000；3. 煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；4. 中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122）

0 引 言

我國是世界上煤與瓦斯突出最嚴重的國家，煤與瓦斯突出事故不但造成煤礦企業(yè)經(jīng)濟上的重大損失，而且可能造成人員傷亡，在社會上也會造成嚴重影響[1]。2016 — 2018 年，重慶煤科院先后完成了中興煤業(yè)2 號、4+5 號及02 號煤層的煤與瓦斯突出危險性鑒定工作，經(jīng)鑒定，中興煤業(yè)2 號、4+5 號、02 號煤層均為突出煤層煤層。為了有效治理瓦斯，保證礦井安全生產(chǎn)。汾西中興煤業(yè)結(jié)合礦井實際情況，明確了礦井瓦斯治理模式，即“礦井瓦斯治理模式采用 “保護層+ 底抽巷+ 高抽巷+本煤層順層鉆孔+ 上隅角（沿空留巷） 抽采+ 被保護層長距離攔截鉆孔” 的瓦斯治理新模式。同時針對各工作面制定了相應(yīng)的綜合性瓦斯治理措施，實現(xiàn)“一面一策”。

1 礦井及工作面概況

中興煤業(yè)有限責任公司位于山西省交城縣嶺底鄉(xiāng)郭家莊，目前開采02 號、2 號、4+5 號煤層，生產(chǎn)能力3.0 Mt/a，2019 年經(jīng)中煤科工重慶研究院鑒定為突出礦井，02 號、2 號、4+5 號煤層為突出煤層。1207 保護層工作面地面東距窯底村邊界740 m，西距申家疙垛背斜軸部470 m，南距中興工業(yè)廣場邊界1 930 m，北距光足村邊界300 m，地面部分地段為第四紀黃土覆蓋，出露地層有二疊系上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組及三疊系下統(tǒng)劉家溝組，除農(nóng)田和部份果樹外，無其他建筑物設(shè)施。

工作面回采02 號煤，02 號煤位于山西組上部，2 號煤上15 m 左右，煤厚在1.0～1.5 m，平均煤厚1.28 m 左右，屬薄煤層，是井田較穩(wěn)定地段，煤層結(jié)構(gòu)簡單，無夾矸，工作面大部分穩(wěn)定可采，黑色，屬中灰、低中硫的瘦煤、焦煤，煤層傾角為2°～ 8°，平均傾角6°。

1207 工作面采用U 型通風方式，運巷進風，材巷回風，通風獨立。通風路線為峁上主斜井—東翼軌道巷—1207 保護層運巷—工作面—1207 保護層材巷—一采總回風巷—峁上回風斜井。

2 保護層工作面抽采設(shè)計

（1） 瓦斯抽采的必要性。

預計1207 保護層綜采工作面的絕對瓦斯涌出量為16 m3/min。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》 規(guī)定，1個采煤工作面的瓦斯涌出量大于5 m3/min，或1 個掘進工作面瓦斯涌出量大于3 m3/min，用通風方法解決瓦斯問題是不合理的，必須對工作面進行瓦斯抽采，并編制工作面瓦斯抽采專項設(shè)計。

（2） 工作面瓦斯來源分析。

1207 保護層綜采工作面回采期間瓦斯來源包括本煤層、采空區(qū)和鄰近層瓦斯涌出。預計該工作面本煤層瓦斯涌出量為4.8 m3/min，約占工作面總涌出量的30%左右；下鄰近層瓦斯涌出量為5.6 m3/min，約占總涌出量的35%左右；采空區(qū)瓦斯涌出量為5.6 m3/min，約占總涌出量的35%左右。預計該工作面生產(chǎn)時回風濃度0.4%，風排瓦斯量為4.7 m3/min。

2.1 初采高抽巷瓦斯抽采

為提高工作面的瓦斯抽采效果，確保工作面安全生產(chǎn)。從1207 保護層材巷開口，分前后兩段施工高抽巷（兩段高抽巷必須聯(lián)通，防止銜接不上）。高抽巷掘進至距工作面10 m （水平距離） 處采取變坡，降低與02 號煤間距，以滿足工作面初采時能形成瓦斯排放通道，增加初采初放期間的高抽巷抽采效果，高抽巷最終掘進至距02 號煤頂板2 m位置。高抽巷布置在02 號煤頂板裂隙帶內(nèi)，生產(chǎn)過程中工作面頂板垮落后，采空區(qū)瓦斯經(jīng)過裂隙帶涌入高抽巷，最后通過高抽巷、材巷φ325 mm 低負壓抽采支管抽出。

（1） 高抽巷布置。高抽巷底板距1207 保護層綜采工作面頂板10 m （7 倍采高），與1207 保護層材巷水平距離20 m。

（2） 高抽巷巷道斷面布置。巷道設(shè)計斷面必須滿足生產(chǎn)設(shè)備安裝，巷道圍巖性質(zhì)，施工高抽巷的斷面規(guī)格為，巷道掘進寬2.5 m，凈寬2.3 m，掘進高2.0 m，凈高1.8 m，掘進斷面5.0 m2，凈斷面4.14 m2。

（3） 抽采系統(tǒng)。高抽巷掘進完畢后，在高抽巷口施工兩道永久密閉墻，兩道閉墻中間用黃土充填，其中兩道閉墻厚度為1.6 m，黃土充填厚度為1 m，墻垛厚度不小于2.6 m，并埋設(shè)2 趟φ325 mm 瓦斯抽采管路，一趟管路埋入第二道密閉墻以里50 m，另一趟管路埋入第二道密閉墻以里2 m。墻四周要掏槽，并使幫、頂接實，墻面要抹平或噴漿，確保不漏風。埋管高度為閉墻三分之二處，與材巷左幫φ325 mm 瓦斯抽采支管路連接，并入一采區(qū)低負壓抽采系統(tǒng)。

2.2 1207 保護層材巷順層鉆孔瓦斯抽采

1207 保護層綜采工作面走向長度1 100 m，傾斜長度85 m。設(shè)計在材巷左幫施工本煤層順層鉆孔169 個，鉆孔間距6 m，孔深度75 m，傾角沿煤層傾角（1°～9°），方位角270°，鉆孔總計進尺12 675 m。使用左幫φ219 mm 抽采管路與一采回風巷高負壓抽采系統(tǒng)對接抽采。另在3 月12 日，即左幫φ325 mm 千米鉆場抽采支管路鋪設(shè)形成獨立系統(tǒng)運行前，左幫φ219 mm 順層鉆孔抽采支管路還兼做千米鉆孔的抽采。

2.3 上隅角埋管瓦斯抽采

為有效治理采空區(qū)瓦斯，確保工作面的安全生產(chǎn)，工作面上隅角采用邁步式埋管抽放，將上隅角積聚的瓦斯抽排至一采回風巷。在材巷右?guī)弯佋O(shè)1趟φ325 mm 瓦斯抽放采管路與一采回風巷低負壓φ630 mm 抽采干管路連接，φ325 mm 抽采管路上每隔6 m 安設(shè)1 個φ325 mm 等徑三通，三通口朝上并在三通上安設(shè)蝶閥進行控制。

2.4 1207 材巷攔截鉆孔瓦斯抽采

在1207 材巷施工2 號、4+5 號煤攔截鉆孔，以攔截1207 保護層綜采工作面生產(chǎn)過程中下鄰近煤層的卸壓瓦斯。

（1） 2 號煤攔截鉆孔。在1207 材巷左幫（110～1 120 m） 每隔6 m 施工1 個2 號煤攔截鉆孔，孔深150 m，傾角4°～11°，方位角270°，間距6 m，共施工鉆孔168 個，總計進尺25 200 m。

（2） 4+5 號煤攔截鉆孔。在1207 材巷左幫（56～1 155 m） 每隔6 m 施工1 個4+5 號煤攔截鉆孔，孔深170 m，傾角1°～8°，方位角270°，間距6 m， 共施工鉆孔184 個， 總計進尺31 280 m。

3 初采期間抽采效果考察

3.1 高抽巷瓦斯抽采效果

自2020 年2 月14 日正式生產(chǎn)起，1207 保護層高抽巷于2020 年3 月1 日完全推過，共計用時17 d。其中，由于此趟抽采管路負壓過低的原因（支管約4～5 kPa，末端約2～3 kPa），為提高高抽巷抽采負壓，于2 月26 日四點班改造左幫抽采本煤層高負壓抽采管路末端與高抽巷抽采管路對通并聯(lián)抽采，直至3 月31 日高抽巷完全推過后，高抽巷抽采管路改做上隅角抽采管路使用。

在此期間，對高抽巷抽采支管路負壓、甲烷濃度及抽采純量進行了統(tǒng)計。

（1） 支管負壓。高、低抽采系統(tǒng)切換運行，支管負壓均約3～5 kPa 無明顯提高；與左幫φ219 mm 高負壓抽采支管對通并聯(lián)運行后，高抽巷支管路抽采負壓雖無明顯提高，但高抽巷整體抽采能力有所增強； 另技術(shù)人員對高抽巷抽采支管進行了分段負壓測試，發(fā)現(xiàn)只要不抽采高抽巷支管各段負壓均達到14～16 kPa，一旦打開高抽巷抽采支管負壓即刻降低至4～5 kPa。

（2） 甲烷濃度。從2 月19 日～ 2 月29 日數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，高抽巷抽采支管路甲烷濃度一直處于0.2%～0.6%超低濃度。直至2 月26 日該趟抽采管路與左幫φ219 mm 高負壓抽采支管對通并聯(lián)運行后，高抽巷抽采支管路甲烷濃度才提高至2%左右的水平。高抽巷抽采期間，支管路瓦斯?jié)舛茸兓闆r如圖1 所示。

圖1 高抽巷瓦斯?jié)舛惹€圖Fig. 1 Gas concentration curve of high drainage roadway

（3） 抽采純量。高抽巷抽采支管路抽采量與甲烷濃度變化情況完全一致，2 月26 日之前抽采純量在0.2 m3/min 左右，2 月26 日之后抽采純量達到1.0 m3/min 左右。高抽巷抽采期間，支管路抽采純量變化情況如圖2 所示。

圖2 高抽巷瓦斯抽采純量曲線圖Fig. 2 Pure gas extraction volume curve of high drainage roadway

通過實踐得出3 個結(jié)論：①高抽巷卸壓抽采對抽采支管路負壓卸壓作用明顯，致使抽采管路末端負壓偏低、抽采效果較差；②當抽采能力提升后，高抽巷抽采支管路瓦斯?jié)舛取⒊椴闪慷紩忻黠@增加；③高抽巷卸壓抽采對負壓的影響，從側(cè)面反映出該礦大系統(tǒng)抽采能力不足，無法滿足卸壓抽采的需求。

3.2 1207 保護層材巷順層鉆孔瓦斯抽采效果

回采期間，1207 保護層材巷左幫φ219 mm 抽采管路甲烷濃度在1%～3%波動，抽采純量0.2 m3/min 以下。因3 月12 日前該趟抽采支管還兼抽千米鉆孔，故3 月13 日之后的數(shù)據(jù)才可真實反映02 號煤順層鉆孔的相關(guān)數(shù)據(jù)。1207 保護層材巷左幫φ219 mm 抽采管路瓦斯?jié)舛取⒊椴杉兞孔兓€如圖3～圖4 所示。

圖3 φ219 mm抽采管路瓦斯?jié)舛茸兓€圖Fig. 3 Changing curve of gas concentration in the φ 219 mm extraction pipeline

圖4 φ219 mm抽采管路瓦斯純量變化曲線圖Fig. 4 Changing curve of gas purity in the φ 219 mm extraction pipeline

3.3 上隅角埋管瓦斯抽采效果

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，上隅角最大瓦斯?jié)舛葟? 月底的0.6%左右逐漸攀升，3 月中上旬最大瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)上升至1.0%以上，且在3 月9 日～ 3 月12 日期間上隅角最大瓦斯?jié)舛壬踔脸^2%。

通過觀測，發(fā)現(xiàn)大部分鉆孔濃度極低，只有5組3 號和5 組4 號鉆孔起初濃度較高，抽采幾天后這2 個鉆孔濃度很快降低。但在觀測過程中，發(fā)現(xiàn)1207 材巷攔截鉆孔濃度極高，隨后便大量開啟攔截鉆孔進行抽采，并重新制定措施補充施工02 號煤攔截鉆孔，開始施工日期為3 月14 日。通過采取以上兩項措施，從3 月14 日開始1207 保護層上隅角瓦斯?jié)舛戎鸩较陆?，并? 月22 日之后降至6%以下，效果非常明顯。1207 保護層材巷上隅角最大瓦斯?jié)舛茸兓€如圖5 所示。

圖5 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€圖Fig. 5 Changing curve of gas concentration in upper corner

3.4 1207 材巷攔截鉆孔瓦斯抽采

1207 材巷施工有2 號、4+5 號煤2 種類型鉆孔，均由左幫1 趟φ325 mm 抽采管路連接抽采，與一采回風巷高負壓系統(tǒng)對接。經(jīng)跟蹤觀測，1207材巷4+5 號煤本煤層鉆孔濃度普遍偏低，而穿2 號煤攔截孔濃度較高。通過對2 號煤攔截鉆孔的開啟調(diào)整以及后續(xù)補鉆措施，1207 材巷抽采管路瓦斯?jié)舛取⒊椴闪棵黠@增加，對解決1207 保護層工作面瓦斯高的問題起到至關(guān)重要的作用。1207 材巷左幫φ325 mm 抽采管路瓦斯?jié)舛?、抽采純量變化曲線如圖6～圖7 所示。

圖6 1207 材巷抽采管路瓦斯?jié)舛茸兓€圖Fig. 6 Changing curve of gas concentration in 1207 material roadway drainage pipeline

圖7 1207 材巷抽采管路抽采純量變化曲線圖Fig. 7 Changing curve of extraction volume of 1207 material roadway extraction pipeline

4 抽采效果分析

1207 保護層綜采工作面回采期間瓦斯來源包括本煤層、采空區(qū)、裂隙帶和鄰近層瓦斯涌出，工作面采取各項瓦斯治理措施之間關(guān)系：

絕對瓦斯涌出量= 風排量+ 抽采量1207 保護層工作面抽采量=1207 保護層本煤層抽采量+1207 保護層上隅角埋管抽采量+1207 工作面攔截鉆孔抽采量（1207 材巷2 號、4+5 號攔截鉆孔和1209 運巷4+5 號攔截鉆孔抽采量之和）

通過以上3 個公式，可以對1207 保護層工作面瓦斯變化情況進行系統(tǒng)的分析。先假設(shè)1207 保護層工作面絕對瓦斯量在某個地質(zhì)單元或時間區(qū)段內(nèi)為定值，然后再對工作面瓦斯變化情況進行分析。

上隅角瓦斯主要是由于受風流的影響，采空區(qū)瓦斯富集至切頂線附近三角區(qū)域無法稀釋所致。要想解決上隅角瓦斯問題，目前我們主要采取兩種措施，即“堵” 和“抽”。

“堵” 的目的主要是防止采空區(qū)漏風致使回風隅角處瓦斯富集以及向回風巷道內(nèi)外滲瓦斯。

“抽” 才是解決上隅角瓦斯問題的主要手段。這里說到的 “抽”，不單單指上隅角埋管抽采，還包括頂板裂隙帶抽采和鄰近煤層瓦斯抽采。

上隅角埋管主要用于抽采采空區(qū)瓦斯，由于受采空區(qū)卸壓作用的影響對管路抽采系統(tǒng)能力要求較高，因此必須增加上隅角埋管的抽采能力。另外，我們還可以通過其他措施彌補上隅角埋管抽采能力的不足，這就是下面所要闡述的頂板裂隙帶抽采和鄰近煤層瓦斯抽采。

隨著回采工作面的逐步推進，采空區(qū)頂板垮落老頂下沉，高濃度瓦斯富集至頂板產(chǎn)生的裂隙之中，而受到采動影響大量鄰近煤層瓦斯也會涌入采空區(qū)。因此，通過提前施工頂板裂隙帶定向鉆孔和鄰近層攔截鉆孔可以有效分流采空區(qū)內(nèi)瓦斯，從而達到治理上隅角瓦斯的目的。

5 結(jié) 語

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，1207 保護層工作面第一階段絕對瓦斯涌出量約18 m3/min，風排瓦斯量6 m3/min左右，抽采量12 m3/min 左右。其中，1207 保護層材巷本煤層抽采量0.2 m3/min 左右，1207 保護層兩趟上隅角埋管抽采量1～2 m3/min，1207 保護層千米鉆孔抽采量3～4 m3/min，1207 工作面攔截鉆孔抽采量5～7 m3/min。

通過對1207 保護層工作面各項瓦斯治理措施抽采量占比可知，要想保證該工作面在低瓦斯狀態(tài)下平穩(wěn)生產(chǎn)，最有效的瓦斯治理措施就是加強1207 保護層材巷千米鉆孔和1207 材巷（大面） 攔截鉆孔的抽采。