煤礦井下綜采面瓦斯治理研究

陳景明，金守寬，潘君偉，王宏斌

(河南能源化工集團(tuán) 永煤公司車集煤礦，河南 永城 476600)

煤礦資源是我國能源結(jié)構(gòu)體系中非常關(guān)鍵和重要的構(gòu)成部分，煤礦資源的正常供應(yīng)對人們的正常生活和工業(yè)生產(chǎn)都有非常顯著的影響[1]。為了順應(yīng)社會對煤礦資源需求量的不斷提升，我國每年都要開采大量的煤礦資源。隨著煤礦資源開采的不斷推進(jìn)，當(dāng)前煤礦開采正朝著縱深方向發(fā)展，礦井深度越來越深，使得煤礦開采環(huán)境越來越復(fù)雜[2]。一直以來，瓦斯涌出是煤礦開采中不可避免的問題，也是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重要根源之一[3]。井內(nèi)瓦斯?jié)舛冗^高非常容易引發(fā)爆炸等安全事故，近年來我國很多煤礦中均出現(xiàn)了此類問題，對井下人員的身心健康甚至生命安全都構(gòu)成了威脅[4]。如何對復(fù)雜環(huán)境下的礦井瓦斯問題進(jìn)行治理，是煤礦企業(yè)面臨的關(guān)鍵和瓶頸問題?；诖耍斜匾Y(jié)合礦井實(shí)際情況對其瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行分析，并提出針對性的瓦斯治理措施，有保障礦井的安全生產(chǎn)[5]。本文主要以某煤礦為案例，對綜采工作面中的瓦斯治理工作進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對于保障綜采工作面的安全生產(chǎn)具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 綜采工作面基本情況及瓦斯來源

某煤礦的井田面積大約為48 km2，目前已經(jīng)探明的煤礦儲量達(dá)到了7.35億t，并且全部屬于優(yōu)質(zhì)煤礦。2019年針對礦井進(jìn)行瓦斯等級鑒定時，確定的瓦斯相對涌出量和絕對涌出量分別為3.99 m3/t和53.45 m3/min，鑒定結(jié)果屬于高瓦斯礦井。其中，8號煤層屬于二類自燃煤層，煤塵存在爆炸性風(fēng)險。本文主要以8號煤層的81306綜采工作面為對象進(jìn)行研究。煤層底板的高度在691～722 m，整個煤層大致為南北走向，煤層傾角在4°～6°內(nèi)，平均傾角為5°。煤層的厚度在6.11～9.19 m內(nèi)，平均厚度為7 m。煤層底板厚度在3.09～9.21 m，主要由粗砂巖和粉砂巖等構(gòu)成。

2 綜采工作面瓦斯涌出量預(yù)測計算

2.1 開采層瓦斯涌出量的計算

根據(jù)以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析，可以利用對開采層的相對瓦斯涌出量進(jìn)行準(zhǔn)確計算：

(1)

式中，K1為圍巖屬性對瓦斯涌出的影響系數(shù)，考慮到相鄰層的影響可以將其取為1.11；K2為工作面煤礦回采率的倒數(shù)，或稱之為丟煤系數(shù)，根據(jù)本煤層情況可以取值為1.11；K2為瓦斯預(yù)排工作對瓦斯涌出量的影響，將其取值為0.8。

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，W0的取值為3.52 m3/t，煤塊殘留瓦斯含量與其原始瓦斯含量之間的函數(shù)曲線關(guān)系如圖1所示，可以確定Wc的取值為1.26 m3/t。

圖1 煤塊殘留瓦斯含量與其原始瓦斯含量之間的函數(shù)曲線關(guān)系Fig.1 Function curve relationship between residual gas content and original gas content of coal block

將81306綜采工作面相關(guān)參數(shù)以及上文所述的各參數(shù)取值，代入到上述方程中進(jìn)行計算，最終得到的工作面相對瓦斯涌出量大小為1.26 m3/t。

2.2 鄰近煤層引起的相對瓦斯涌出量

經(jīng)過分析認(rèn)為，對8號煤層的瓦斯涌出量產(chǎn)生顯著影響的煤層主要包含2個，分別為附近的10號煤層和11號煤層，其他煤層如6號、7號和9號煤層對8號煤層的瓦斯涌出量的影響相對較小，本研究中將其忽略處理。受鄰近煤層影響導(dǎo)致本煤層產(chǎn)生的相對瓦斯涌出量大小可以根據(jù)下式進(jìn)行計算：

(2)

式中，m0為本煤層的厚度大?。籱i為本煤層第i個相鄰煤層的厚度大?。籏i為在第i個相鄰煤層的擾動影響下，本煤層的瓦斯排放率；W0i和Wci分別為第i個相鄰煤層中的原始瓦斯含量和煤層中殘留的瓦斯含量大小。

10號煤層和11號煤層的平均厚度大小分別為1.45 m和1.73 m，2個煤層與8號煤層之間的間距大小分別為28 m和32 m，2個煤層的瓦斯排放效率分別為0.19和0.2，2個煤層的原始瓦斯含量大小全部取4.724 m3/t，煤層中殘留的瓦斯含量大小全部取0.72 m3/t?；谝陨蠑?shù)據(jù)可以計算得到10號煤層和11號煤層對8號煤層瓦斯涌出量的影響量分別為0.166 m3/t和0.159 m3/t。則可以計算得到Q2的數(shù)值為0.325 m3/t。

2.3 工作面實(shí)際瓦斯涌出量計算

在已知綜采工作面煤層相對瓦斯涌出量，以及在鄰近煤層對本煤層瓦斯涌出量的影響數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)計算得到本煤層的實(shí)際相對瓦斯涌出量大?。?/p>

Q回=Q1+Q2

(3)

式中，Q回、Q1、Q2分別為綜采工作面實(shí)際瓦斯相對涌出量、本煤層相對瓦斯涌出量、在鄰近煤層影響下本煤層的相對瓦斯量涌出量。

將Q1和Q2代入式(3)中可以計算得到，Q回為1.585 m3/t。本文所述的81306綜采工作面年平均開采800萬t，假設(shè)每年工作330 d，則平均每天的開采量為2.4萬t?？紤]到每天開采量的不均衡性，將不均衡系數(shù)取值為1.2，則每天開采得到的煤礦重量最大為2.88萬t。基于此可以計算得到綜采工作面的絕對瓦斯涌出量大小為Q絕=31.7 m3/min。

3 綜采工作面瓦斯綜合治理措施研究

3.1 瓦斯綜合治理主要思路

對瓦斯進(jìn)行治理的思路主要可以分為兩大類，其一為利用通風(fēng)機(jī)對礦井瓦斯進(jìn)行排除，其二是采用瓦斯抽采方式提前將瓦斯排除[6]。對于瓦斯涌出量相對較小的礦井，通過增加通風(fēng)量、增加通風(fēng)設(shè)施等方式可以在一定程度上稀釋礦井中的瓦斯?jié)舛?，從而起到瓦斯治理的效果。但是對于瓦斯涌出量相對較大的礦井，簡單地利用增加通風(fēng)量的方式難以起到很好的效果[7]。本案例中81306綜采工作面不僅本層的瓦斯涌出量相對較大，而且鄰近采空區(qū)的瓦斯涌出量也居高不下，所以采用第一種治理措施難以達(dá)到實(shí)際需要，需要通過瓦斯抽采方式對其進(jìn)行治理。

針對81306綜采工作面自身煤層瓦斯涌出量較大的問題，可以采用預(yù)抽方式對瓦斯進(jìn)行排除，從而降低本層瓦斯的涌出量。針對鄰近煤層瓦斯?jié)舛容^高且與本煤層距離相對較近的問題，可以采用高抽巷和鉆孔方式進(jìn)行抽采，從而降低臨近煤層的瓦斯?jié)舛?。另外，考慮到81306綜采工作面采用的是U型通風(fēng)模式，在這種模式下上隅角特別容易集聚瓦斯，使該部位的瓦斯?jié)舛容^高，另外采空區(qū)遺留的煤炭量相對較大。因此，可以在采空區(qū)進(jìn)行埋管，對該部位的瓦斯進(jìn)行抽采，從而降低采空區(qū)和上隅角部位的瓦斯?jié)舛?。綜采工作面瓦斯治理措施思路如圖2所示。

圖2 綜采工作面瓦斯治理措施思路Fig.2 Thoughts on gas control measures in fully-mechanized working face

3.2 瓦斯治理措施選擇及參數(shù)確定

(1)高抽巷參數(shù)確定。經(jīng)過前期分析發(fā)現(xiàn)煤層頂板的垮落帶高度和裂隙帶高度分別在7.3～13.5 m和13.5～48.3 m內(nèi)。根據(jù)以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，將高位瓦斯巷設(shè)置在裂隙帶高度內(nèi)可以起到很好的瓦斯抽采效果?；诖?，確定的高抽巷與煤層底板之間在垂直方向上的距離為20 m。在確定高抽巷水平位置時同樣需要確保其處于塌落帶以內(nèi)，也要考慮到綜采工作面通風(fēng)對瓦斯抽采的影響。結(jié)合實(shí)際情況，本綜采工作面將高抽巷放置在與回風(fēng)巷水平方向距離25 m的位置。

(2)綜采工作面預(yù)抽鉆孔參數(shù)確定。針對綜采工作面開展預(yù)抽瓦斯工作，預(yù)抽時間是非常重要和關(guān)鍵的參數(shù)，對預(yù)抽效果產(chǎn)生決定性的影響[8]。結(jié)合綜采工作面實(shí)際情況計算得到的預(yù)計抽采總量和鉆孔有效系數(shù)與預(yù)抽時間的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3中數(shù)據(jù)可以看出，預(yù)抽采時間為5、11個月時，對應(yīng)的鉆孔有效系數(shù)為60%、97%。在綜合考慮煤礦生產(chǎn)效率以及瓦斯預(yù)抽效果的基礎(chǔ)上，本研究中將預(yù)抽采時間控制在6個月。

圖3 預(yù)計抽采總量和鉆孔有效系數(shù)與預(yù)抽時間的關(guān)系曲線Fig.3 Curve of relationship between estimated total pumping volume，borehole effective coefficient and pre pumping time

預(yù)抽鉆孔參數(shù)同樣會對預(yù)抽效果產(chǎn)生非常重要的影響，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計的綜采工作面預(yù)抽鉆孔布置情況如圖4所示。

圖4 綜采工作面預(yù)抽鉆孔示意Fig.4 Schematic diagram of pre extraction drilling in fully-mechanized working face

鉆孔間距為3 m，與底板之間的距離控制在1.2 m左右，鉆孔直徑為113 mm。進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷側(cè)的鉆孔深度分別為110，80 m。

(3)高位鉆孔參數(shù)確定。高位鉆孔瓦斯抽采可以對高抽巷進(jìn)行補(bǔ)充，進(jìn)一步加強(qiáng)瓦斯抽采的效果。為了保障高位鉆孔的效果，可以將其設(shè)置在裂隙帶以內(nèi)。在對鉆孔高度進(jìn)行確定時，不僅需要照顧瓦斯抽采的效果，也要考慮到鉆孔施工的難易程度及施工效率和成本等。本研究中確定的高位鉆孔與工作面頂板之間的垂直距離為30～40 m。通常情況下鉆孔長度與其瓦斯抽采效果之間成正比例關(guān)系，即鉆孔深度越深則抽采效果越好，但是意味著鉆孔的成本回增加、鉆孔效率會降低。在綜合考慮鉆孔施工成本和瓦斯抽采效果的基礎(chǔ)上，確定的高位鉆孔長度大小為100 m左右。綜采工作面在不斷向前推進(jìn)的過程中，上一鉆場對工作面的瓦斯抽采效果會逐漸降低，而后一鉆場對工作面的瓦斯抽采效果會逐漸降低，相鄰2個鉆場之間通常會存在重疊的部分同時對工作面的瓦斯產(chǎn)生抽采效果，此部分稱為壓茬。壓茬的長度越長意味著工作面瓦斯抽采效果越穩(wěn)定、效果越好；相反的，壓茬長度越小會對工作面瓦斯抽采的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。但是過大的壓茬長度會在一定程度上增加鉆孔的成本。因此，針對具體的情況會存在最大和最小壓茬距離長度，可以根據(jù)下式進(jìn)行計算：

(4)

式中，Bmin和Bmax分別為相鄰鉆場之間的最小和最大壓茬距離長度；c為前一鉆場抽采時的盲區(qū)長度，取為5 m；α和Lz分別表示工作面的塌落角和塌落步距，分別取為57°和15.1 m；h為高位鉆孔在垂直方向上的高度大小。

圖5 鉆場之間的最小壓茬長度示意Fig.5 Schematic diagram of minimum stubble length between drilling fields

基于以上數(shù)據(jù)可以計算得到鉆場之間的最小和最大壓茬距離長度分別為25.5、40.6 m。根據(jù)計算結(jié)果，確定鉆場壓茬距離長度為33 m。

3.3 采空區(qū)埋管抽采參數(shù)確定

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)81306綜采工作面采空區(qū)瓦斯涌出帶以及過渡帶的深度分布在15～20 m內(nèi)。在充分借鑒其他工作面實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將抽采口設(shè)置在距離工作面20 m的位置，抽采口高度的設(shè)置為2.5 m。采空區(qū)埋管抽放情況示意如圖6所示。

圖6 埋管抽放情況示意Fig.6 Schematic diagram of buried pipe pumping

在采空區(qū)進(jìn)行埋管抽采時，管道的直徑大小會對抽采效率產(chǎn)生非常直接的影響[9]。如果采空區(qū)的瓦斯?jié)舛然竞愣?，那么設(shè)置的埋管直徑越大意味著瓦斯抽采效果越好。但是管道直徑越大意味著抽采時的瓦斯流動速度越小，另外施工成本也會越高。所以在確定埋管直徑大小時，需要綜合考慮以上多方面的因素。本案例中，在充分考慮本煤礦實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，借鑒已有的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算，確定的埋管直徑大小為230 mm。抽采過程中負(fù)壓大小同樣是比較關(guān)鍵的工藝參數(shù)，必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。如果抽采時負(fù)壓太小，就難以降低采空區(qū)埋管部位的瓦斯?jié)舛龋M(jìn)而難以控制上隅角部位的瓦斯?jié)舛?。相反的，如果抽采時的負(fù)壓過大會加大采空區(qū)的漏風(fēng)量，從而加大采空區(qū)氧氣的比例，對于井下防火非常不利。綜合考慮以上方面的因素，確定的抽采負(fù)壓大小為5 000 Pa。

4 綜采工作面瓦斯治理效果分析評價

4.1 鉆孔預(yù)抽效果分析

為了治理工作面瓦斯，根據(jù)前期的瓦斯治理整體方案，需要在正式開采前設(shè)置鉆孔對其進(jìn)行預(yù)抽處理[10]。根據(jù)礦井鉆孔規(guī)范以及礦井瓦斯抽采經(jīng)驗(yàn)，可以將鉆孔的間距設(shè)置為3 m。本工程項(xiàng)目在進(jìn)風(fēng)巷中共設(shè)置了310個鉆孔，實(shí)際的鉆孔長度超過了34 km，回風(fēng)巷總共設(shè)置了312個鉆孔，實(shí)際的鉆孔長度超過了25 km。瓦斯預(yù)抽時間持續(xù)6個月，在預(yù)抽時間內(nèi)進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的瓦斯抽采量分別達(dá)到了167.4萬m3和90.1萬m3，瓦斯抽采率均超過了60%，基本達(dá)到了預(yù)期的效果。綜采工作面鉆孔預(yù)抽的抽采量變化情況如圖7所示。

4.2 瓦斯抽采效果分析

完成鉆孔預(yù)抽工作以后，開始對綜采工作面進(jìn)行回采。整個采煤期間每天都會對瓦斯的排放量以及每天的回采量進(jìn)行具體統(tǒng)計分析，以此來計算瓦斯抽采效果。通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，高抽巷、穿層鉆孔、采空區(qū)埋管的平均抽采純量大小以此為12.9 m3/min、5.1 m3/min和2.5 m3/min，對應(yīng)的平均濃度大小分別為36.1%、51.2%和6.7%，在整個抽采總存量中占據(jù)的比例依次為62.9%、24.9%、12.2%。基于以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)平均的瓦斯抽采率超過了89%，而根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》中相關(guān)的規(guī)定，瓦斯抽采率必須超過40%?？梢姳景咐械耐咚钩椴陕蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國家安全標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)踐中取得了非常好的效果。如綜采工作面采煤期間的瓦斯抽排量情況統(tǒng)計圖8所示。

圖8 綜采工作面采煤期間的瓦斯抽排量情況統(tǒng)計Fig.8 Statistics of gas drainage during coal mining of fully-mechanized working face

4.3 綜采工作面瓦斯?jié)舛确治?/h3>

綜采工作面上隅角和回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛入S時間的變化統(tǒng)計情況如圖9所示。而根據(jù)我國頒布的煤礦安全規(guī)程中的要求，煤礦礦井內(nèi)部的瓦斯?jié)舛缺仨毧刂圃?%以內(nèi)。從圖中的數(shù)據(jù)可以看出，工作面的上隅角和回風(fēng)巷中的瓦斯?jié)舛染刂圃诹?.8%以內(nèi)，完全能夠滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，可以有效保障礦井的生產(chǎn)安全?？梢?，通過本文所述的瓦斯治理方案取得了很好的效果，有效控制了礦井中的瓦斯?jié)舛龋瑸槊旱V的安全生產(chǎn)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

圖9 綜采工作面采煤期間的瓦斯?jié)舛葯z測統(tǒng)計情況Fig.9 Detection and statistics of gas concentration in fully-mechanized working face during coal mining

5 結(jié)論

本文主要以某高瓦斯綜采工作面為案例，結(jié)合實(shí)際情況對其瓦斯治理工作進(jìn)行了詳細(xì)的研究。

(1)在對81306綜采工作面附近的煤層和采空區(qū)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，對該工作面的相對瓦斯涌出量和絕對瓦斯涌出量進(jìn)行了詳細(xì)的計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其大小分別為1.585 m3/t和31.7 m3/min，屬于高瓦斯礦井。

(2)從工作面瓦斯預(yù)抽、高抽巷、高位鉆孔抽采、采空區(qū)埋管抽采等多個方面詳細(xì)介紹了81306綜采工作面瓦斯治理的綜合措施。對相關(guān)抽采方案中的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計計算，確保瓦斯治理方案的科學(xué)性與合理性。

(3)將設(shè)計的綜采工作面瓦斯治理技術(shù)方案部署到工程實(shí)踐中，并嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)參數(shù)執(zhí)行，最終取得了很好的效果。特別是將上隅角和回風(fēng)巷中的瓦斯?jié)舛瓤刂圃诹?.8%以內(nèi)，有效保障了礦井的瓦斯安全，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。