3212综采放顶煤工作面瓦斯治理研究

王光伟

（1.山西省煤炭工业厅安全生产调度中心，山西 太原 030012；2.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024）

3212综采放顶煤工作面瓦斯治理研究

王光伟1，2

（1.山西省煤炭工业厅安全生产调度中心，山西 太原 030012；2.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024）

山西天地王坡煤业有限公司针对5.97m厚的3212综采放顶煤工作面瓦斯涌出特点，在分析瓦斯涌出来源构成的基础上，对3212工作面实施合理配风、顶板走向钻孔抽放瓦斯、针对性预抽等综合治理措施，确保3212工作面安全生产。

综放工作面；瓦斯综合治理；预抽；瓦斯流动模式；数值模拟

王坡矿原设计生产能力450kt/a，采用斜井开拓，开采3号煤层。目前正在改扩建，扩建后的生产能力为300万t/a。抽采系统的混合流量为45.68m3/min～79.19m3/min，浓度为18%左右，纯流量为9m3/min左右。矿井为高瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量为63.53m3/min，相对瓦斯涌出量为20.6m3/min。

3212综采放顶煤工作面采用工作面预抽、顶板走向长钻孔、瓦斯尾巷插管抽放并采用数值模拟软件预测抽采效果等方法对3212工作面进行瓦斯综合治理以后，取得了良好的效果，现已推广应用【2】。下面介绍3212综采放顶煤工作面瓦斯综合治理。

1 3212工作面概况

3212工作面位于二采区三条集中巷南侧，埋深为450m～810m。该面走向长度为2300m，开切眼长180m。平均煤厚5.97m。3212工作面设计产量为150万t/a（矿井由1个采面生产、加上掘进煤达到其设计产量）。3212工作面采用两进一回偏Y型通风方式，即运输顺槽、辅助进风巷进风，回风顺槽回风，预计3212工作面的配风量为3000m3/min。3212工作面的预测最大瓦斯涌出量为84.8m3/min。3212工作面的瓦斯含量为12m3/t～18m3/t，其中距离切眼1150m～2300m的范围之内煤层瓦斯含量为16m3/t～18m3/t，距离切眼770m～1150m的范围之内煤层瓦斯含量为14m3/t～16m3/t，距离切眼0m～770m处煤层瓦斯含量为12m3/t～14m3/t。煤层残存瓦斯含量为4.62m3/t。实测煤层透气性系数为1.895m2/MPa2·d～2.249m2/MPa2·d，钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.1345d-1。

2 3212工作面瓦斯涌出预测

按安全生产行业标准《矿井瓦斯涌出量预测方法》（AQ1018-2006）规定，在预测瓦斯涌出中应用的煤层残存瓦斯含量按其推荐的附表确定，将3212工作面煤层的残存含量确定为4.62m3/t。

根据预测，3212工作面不同含量所对应的瓦斯涌出预测结果见表1。从表1可知，当采面瓦斯含量为18m3/t、日产量5000t时，工作面瓦斯涌出量为84.8m3/min，其中开采层涌出量为48.6m3/min，占57.3%，邻近层及采空区瓦斯涌出量为36.2m3/min，占42.7%，瓦斯含量为16m3/t、14m3/t区域的瓦斯涌出量，如表1所示。

表1 3212工作面不同瓦斯含量区域瓦斯涌出量预测

对于通过预抽煤层瓦斯降低工作面瓦斯涌出，不同含量区域抽后涌出量不大于30m3/min（以工作面通风最大许可瓦斯涌出量30m3/min计）的预抽后残余瓦斯含量（瓦斯预抽的目的残余含量）如表1所示。由表1可确定18m3/t、16m3/t、14m3/t含量区域的预抽瓦斯目的残余含量分别为6.83m3/t、7.42m3/t、8m3/t。

3 3212工作面瓦斯综合治理措施

1）存在问题：工作面日产5000t时，如果单纯依靠预抽，18m3/t、16m3/t、14m3/t含量区域瓦斯预抽的目的残余含量分别为6.83m3/t、7.42m3/t、8m3/t，只有将瓦斯含量降至低于相应的目的残余瓦斯含量才能保证工作面回采时的最大瓦斯涌出量低于30m3/min。

从工作面的瓦斯涌出构成分析，邻近层及采空区瓦斯涌出占42.7%。由于工作面预抽时间有限，单纯以加密钻孔间距的措施来提高预抽率不能保证足够的施工时间，因此，还应积极采用采空区抽采方法，降低其风排瓦斯涌出，相应地减轻采面预抽压力，从而增大钻孔间距、减少钻孔工程量，在一定程度上缩短预抽时间［1］。

2）解决措施：3212工作面采用预抽及采空区抽采的综合抽采方法进行工作面瓦斯涌出的治理。在考虑预抽与采空区综合抽采共同作用下，对于18m3/t、16m3/t、14m3/t含量区域其预抽的目的残余含量可分别提高为9.4m3/t、9.74m3/t、10.07m3/t（与各区只预抽的目的残余含量6.83m3/t、7.42m3/t、8m3/t比较）。

3.1 3212工作面瓦斯预抽措施

3212工作面煤层瓦斯含量赋存不均衡，总体可分为2个区域，煤层瓦斯含量12m3/t～14m3/t的区域位于距离切眼0～770m的范围内、埋深为450m～630m，矿方已经在该区域施工了绝大部分的密集立体交叉预抽钻孔，其钻孔布置见图1。煤层瓦斯含量为14m3/t～18m3/t的区域位于距离切眼770m～2300m的范围内、埋深为570m～810m。因此，将3212工作面划分为两个区域，根据煤层瓦斯含量及相应的预抽时间分别设计不同间距钻孔进行预抽。

预抽瓦斯效果预测方法采用数值模拟的方法，该方法是通过煤层中瓦斯的流动规律建立数学模型［3］，同时考虑抽采过程中煤层透气性系数的变化，在抽采区域内对瓦斯流动模型进行解算来确定一定抽采时间后煤层中的残余瓦斯含量。

根据预测，在现有3212工作面钻孔施工条件、工作面衔接、投产时间等条件下可能实现的预抽钻孔间距为6m。对于3212工作面瓦斯含量高（最高为18m3/t）、工作面预抽时间短(工作面掘进完成即回采)的情况，根据邻近矿井的瓦斯抽采经验，其钻孔间距宜为2.5m左右，即对于工作面来讲6m的预抽钻孔间距偏大了，不利于工作面瓦斯预抽。钻孔间距加密到一定程度后如果继续加密将会增加钻孔施工工程量，从而减少预抽时间，在寻找钻孔间距和钻孔施工工程量之间的平衡关系中得到最高含量区域钻孔间距为2.5m。

图1 3212工作面瓦斯含量分布图

因此，为3212工作面提供多一点的时间进行瓦斯抽采，根据3212工作面的实际情况、加强钻孔施工组织与管理，在目前工作面计划的投产日期前多打钻孔、以争取更多的预抽时间，确保瓦斯抽采效果。

3.2 3212工作面采空区抽采措施

3212工作面开采层涌出量为48.6m3/min，占57.3%，邻近层及采空区瓦斯涌出量为36.2m3/min，占42.7%。所以工作面在加强预抽瓦斯的同时，还同时应加强工作面采空区瓦斯抽采【4】，减轻工作面的预抽压力。有限的时间内预抽效果达到最好的情况下也不能使工作面瓦斯涌出量降到30m3/min以下，这就需要用采空区抽采来解决超过30m3/min的瓦斯涌出量，表2为采空区抽采和预抽共同作用后的涌出预测。

矿井现开采工作面的采空区井下瓦斯抽采方法一般有邻近层（含钻孔及巷道）抽采、井下顺层埋管抽采等方法。王坡矿曾经采用埋管抽采的方式对采空区瓦斯进行了试验，但抽采效果很差，采用顶板走向钻孔进行采空区瓦斯抽采效果较好，但顶板走向长钻孔布置需要一定钻场、工程量较大，不利于实施。

矿井现已经在3207工作面实施的顶板走向长短钻孔进行了效果考察，并取得较好效果。

为此，根据3212工作面的布置方式，工作面采空区抽采方法拟采用顶板走向长短钻孔进行抽采，利用抽采钻孔使工作面采空区瓦斯向其后上方流动、改变工作面采空区流场，有利于工作面上隅角瓦斯治理。

根据表2中的预测，在预抽和采空区抽采的共同作用下，18m3/t区域预抽后达到目的残余含量9.4m3/t；16m3/t区域预抽后达到目的残余含量9.74m3/t；14m3/t区域预抽后达到目的残余含量10.07m3/t。这比单靠预抽需要的目的残余含量6.83m3/t、7.42m3/t、8m3/t、2.57m3/t、2.32m3/t、2.07m3/t，给预抽减少了很大的压力。

表2 采空区抽采共同作用后涌出量预测

4 效果分析

4.1 预抽钻孔效果分析

在工作面预抽效果考察中，3212工作面最大抽采量为12.1m3/min，最小抽采量为4.5m3/min。经过预抽后的工作面平均风排瓦斯量为21.62m3/min，确保了矿井安全生产。

4.2 采空区抽采效果分析

在工作面采空区抽采效果考察中，3212工作面平均抽采量为 6.7m3/min，最大抽采量为 10.1m3/min，最小抽采量为3.8m3/min。3212工作面上隅角瓦斯超限次数基本杜绝。

5 结论

工作面采用预抽与采空区结合的综合治理方法，使工作面煤体吨煤瓦斯含量降低，减少开采时的落煤瓦斯涌出和煤壁瓦斯涌出，同时对采空区进行了顶板走向长短钻孔的抽采，利用采空区抽采来减少风排瓦斯量从而减轻预抽压力，使3212工作面瓦斯治理效果明显，对矿井的安全生产起到了保障作用。

［1］ 张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术［M］.北京：煤炭工业出版社，2001.

［2］ 周世宁.煤矿重大灾害防治战略研究与进展［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003.

［3］ 葛家理.现代油藏渗流力学原理［M］.北京：石油工业出版社，2001.

［4］ 马世志，范满长，殷秋朝.顶板高位水平钻孔瓦斯抽放技术应用研究［J］.煤炭科学技术，2002（9）：40-42.

Gas Control Study on Fully-mechanized Top-coal Caving Faces in Tiandi Wangpo Coal Co.

WANG Guang-wei1,2

(1.Safety Production Dispatch Center,Shanxi Coal Industry Office,Taiyuan Shanxi 0300122.College oFMining Engineering,Taiyuan University oFTechnology,Taiyuan Shanxi 030024)

According to gas outbursToF3212fully-mechanical top-coal caving face(5.97m in thickness)in Tiandi Wangpo Coal Co.,the source construction oFthe gas outbursTwas analyzed and then comprehensive control measures were adopted,including reasonable air distribution,gas drainage oFgoaFfrom drills along rooFstrike and pointed pre-drainage,to ensure the safety production.

fully-mechanized working face;gas control;predraining;gas flow pattern;numerical simulation

TD712+.6

A

2011-05-05

王光伟（1971—），男，山西永济人，在读工程硕士研究生，工程师，从事安全生产调度及煤矿安全监管工作。

1672-5050（2011）07-0060-03

刘新光