近距离煤层群瓦斯异常区综采面瓦斯综合治理技术＊

王跃明 王金光 张延国 李世俊 龚 爽 李二鹏

（1.太原理工大学矿业工程学院，山西省太原市，030024；2.中国矿业大学 （北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；3.中钢集团工程设计研究院有限公司石家庄设计院，河北省石家庄市，050021）

随着综合机械化采煤技术在矿井中的应用以及矿井采掘水平的延伸，近距离煤层群矿井综采面的瓦斯超限现象越来越频繁。由于每种通风方式都有其使用条件和弊端，实践证明仅靠通风已不能有效解决综采面瓦斯问题。因上隅角瓦斯含量约占综采面瓦斯含量的70%，因此抽采上隅角瓦斯治理瓦斯超限问题效果明显，而单一的抽采方式不能保证连续、全面的抽采，从而无法确保综采面的正常有序开采。本文以镇城底矿22611 综采面为工程背景，从煤层赋存条件、地质构造、人为因素等方面分析了瓦斯异常区域形成的原因，并对上隅角瓦斯积聚的原因进行深入研究，采取了综合瓦斯治理措施，有效解决了综采面瓦斯超限问题，确保了近距离煤层群综采面的安全高效生产。

1 工程概况

镇城底矿位于山西西山煤田西北边缘，地处古交市西北，为低瓦斯矿井，煤层赋存有近距离、多煤层、不稳定等特点。本井田含煤13层，可采煤层有1＃、2＃-3＃、4＃、6＃、7＃、8＃、9＃、10＃共8层，目前矿井主采2＃-3＃煤层和8＃煤层。可采煤层特征见表1。22611 综采面开采2＃-3＃煤层，采用综合机械化采煤法，全部垮落法管理顶板，U 型通风方式。煤层具有煤尘爆炸性，为自燃煤层，煤种为特低硫中灰的优质肥、焦煤，煤层瓦斯含量为2.3 m3／t，煤的坚固性系数为0.36，百米流量衰减系数为0.2154d-1，煤层的透气性系数为1.107m2／MPa2·d。22611综采面所处的南六采区绝对瓦斯涌出量约占全矿井的55%，目前按高瓦斯矿井管理。

表1 可采煤层特征

2 综采面瓦斯超限原因分析

2.1 瓦斯异常区形成的原因

镇城底矿瓦斯异常区域的形成主要是煤层露头、围岩性质、断层、陷落柱、采煤方法、通风方式等因素造成。

（1）煤层露头影响。由于镇城底矿西北为煤层露头，成煤过程中形成的瓦斯长期向大气中排放，此处煤层中的瓦斯含量较少，因此在开采北部的东翼、西翼采区时瓦斯含量较低。而该矿的其它地方没有煤层露头，煤层中的瓦斯保存相对较好，22611综采面正处于没有煤层露头处，故瓦斯含量相对较高。

（2）围岩性质影响。22611综采面煤层顶板是平均厚度为1.02m 的灰黑色砂质泥岩，局部为细砂岩，底板为平均厚度1.66m 的砂质泥岩，由于泥岩的透气性差，对煤层中的瓦斯有封存作用，使煤层中的瓦斯大部分被很好地保存在煤体中。

（3）地质构造影响。22611综采面为断裂构造发育，断层较多且大部分为正断层，断层上下盘的落差大于3m，受地质运动影响，封闭性好有利于瓦斯赋存，而陷落柱在22611综采面也较发育，大部分陷落柱柱壁相向倾斜，倾角多在80°以上，岩性多为泥岩、砂质泥岩、部分砂岩等，陷落柱内必然积聚瓦斯。

（4）生产工艺影响。22611综采面使用综合机械化采煤法，产量提高的同时瓦斯涌出量也增加。由于是近距离煤层群开采，在开采时伴随大量上下邻近层瓦斯解析、扩散、渗流涌入采空区，处理不及时就会造成瓦斯异常。综采面采用U 型通风方式，U 型通风最大弊端就是上隅角容易积聚瓦斯。

2.2 22611综采面上隅角瓦斯积聚原因分析

（1）在近距离煤层群条件下，22611综采面被开采后，除采空区遗煤涌出的瓦斯外，上邻的1＃煤层和下邻的4＃煤层的大量卸压瓦斯也涌向综采面采空区，造成采空区大量瓦斯积存，由于瓦斯密度较小，在瓦斯自然浮力作用下，大量采空区瓦斯向综采面上隅角运移。

（2）22611综采面采用U 型通风，新鲜风流进入综采面分两部分，在进、回风巷风压差作用下，大部分风流把22611综采面的瓦斯带进回风巷，另一部分流入采空区的风流把采空区高浓度瓦斯带回22611综采面，两股风流在上隅角处汇合，上隅角作为U 型通风综采面的漏风汇，极易造成瓦斯积聚，见图1。

（3）22611综采面上隅角位于回风巷和采空区的结合处，风流在上隅角处直角转弯时，在上隅角形成涡流区，由于此处风速低，上隅角处于涡流状态的瓦斯不易被稀释并流入回风巷中，这样大量瓦斯在涡流区运动引起瓦斯积聚进而可能造成上隅角瓦斯超限。

图1 综采面风流流向及O 形圈平面图

3 综采面瓦斯综合治理技术

根据瓦斯异常区形成的原因及对22611综采面上隅角瓦斯积聚的原因进行研究，结合其他邻近矿井的经验，提出通风系统优化、顶板走向水平长钻孔抽放技术、上隅角双埋管相结合的通风为辅、抽采为主的综合治理措施。

3.1 通风系统优化

3.1.1 U 型通风方式的确定

镇城底矿在开采南六采区22606工作面时，前期采用U 型通风就可以解决工作面瓦斯超限问题，随着开采深度的增加和强度的加大，U 型通风已不能满足生产的需要，22606工作面上隅角和回风巷中瓦斯浓度时常超限。在U 型通风的基础上，计划对22606工作面采用U+L型通风方式进行改造，但采用U+L型通风方式后尾巷中的瓦斯又变成安全隐患。随后在施工时改用轨道巷、运输巷进风，工作面中间开挖的中间巷回风的两进一回的W 型通风方式，采用这种通风方式后，在实际生产中发现轨道巷、运输巷流出的风流在中间巷汇集共同流入中间巷时，由于风流不一样，在中间巷附近支架处形成空气对流区，使该处支架后面的瓦斯无法排出，造成瓦斯浓度超标，即使在中间巷附近使用风障引导两侧风流排放效果仍不理想。22611综采面由于采用通风和瓦斯抽放相结合的综合瓦斯治理措施，同时鉴于U 型通风的众多优点，22611综采面仍采用U 型通风方式。

3.1.2 增加进风量

增加综采面进风量在一定程度上有利于综采面瓦斯的治理。但如果进风量过大，进入采空区的漏风量也相应增加，造成漏风流把采空区深部的瓦斯带回综采面，由于22611 综采面采用U 形通风，瓦斯流容易从综采面上隅角流出，引起上隅角瓦斯积聚，同时风量过大也不利于综采面粉尘的防治。通过对增加进风量和综采面瓦斯监测数据变化进行研究，提高22611综采面供风量为871m3／min时，综采面瓦斯浓度为最低，相对此增大或减小风量都会造成综采面瓦斯浓度升高。同时更换南风井的主要通风机，通风机运行参数见表2。

表2 南风井主要通风机运行参数

3.2 顶板走向水平长钻孔抽放

22611综采面上、下邻近煤层中的瓦斯受采动影响，以解吸、扩散、渗流的形式从采动裂隙进入采空区，在瓦斯浓度梯度压力和瓦斯浮力作用下进入O 形圈，使O 形圈成为采空区瓦斯聚集和运移的主要通道。镇城底矿在回风巷煤层顶板布置的钻场里向采空区裂隙带附近施工长钻孔，利用抽放管的负压，抽采O 形圈内的瓦斯，减少采空区瓦斯进入综采面。

从开切眼沿回风巷走向100 m 时开掘斜巷进入煤层顶板施工第一个垂直于回风巷的钻场，钻场间隔80m，钻场尺寸为4.0 m×9.0 m×3.0 m。在钻场东侧呈扇形向采空区上部打5 个深度为130m左右的长钻孔，其中低位裂隙带钻孔3 个，高位裂隙带钻孔2个。钻孔开孔位置和煤层顶板的垂直距离为0.5m，终孔位于冒落带顶部和裂隙带下部附近区域，沿倾向方向控制上隅角附近距回风巷30m 范围，为了保证综采面过钻场时顶板走向钻孔的抽采效果及衔接，前后钻场压岔50 m。用钢丝骨架胶管把塑料封孔管和抽放管连接起来，采用2BEC52瓦斯抽放泵抽放采空区瓦斯，钻场钻孔布置见图2，瓦斯抽放设备参数见表3。

图2 钻场钻孔布置图

表3 瓦斯抽放设备参数

在采用顶板走向水平长钻孔抽放瓦斯时，镇城底矿首次使用简易手动放水器，手动放水器示意图见图3。调整顶板走向水平长钻孔的钻孔连接方式，人为形成由高到低的管道使之容易积水，在管道末端安装简易手动放水器，通过阀门控制负压，手动放水进行卸压，很好地解决了采用水流排渣时致使钻孔内积水较多、增加抽采负压、影响瓦斯抽采的问题，提高了顶板走向水平长钻孔瓦斯抽放效果。

图3 手动放水器示意图

3.3 上隅角双埋管抽放技术

在22611综采面回风巷北侧上部架设一条直径355mm 聚乙烯瓦斯抽放管，外端与南六采区的移动瓦斯抽采泵站相连，采用2BEC50抽放泵进行抽采。在该抽放管上每隔5 m 安装一个三通，每隔15m 安装一个阀门，当该管路进入采空区15 m时，预埋第二条管路。第二条管路通过三通与第一条管路在30m 处连接起来，此时第二条管路处于封闭状态，当综采面推过第二条抽放管15 m 时，打开第二条管路的阀门进行抽采，在第二条管路的每个三通上都连接和第一个抽放管一样的直径219mm、长度为2m 的花管，为避免埋管被矸石砸坏，在进入采空区的埋管上面铺上石棉瓦确保抽放管正常工作，以此循环，确保连续有效抽放，综采面上隅角埋管布置见图4。

4 监测监控及瓦斯治理效果

综采面瓦斯的治理是各种措施共同作用的结果，有效地监测监控是防治瓦斯的关键。瓦斯浓度数据对治理瓦斯有非常重要的意义，因此必须保证监测监控系统的有效运行和强化人机互检制度，以便在瓦斯涌出异常时采取针对性治理措施。镇城底矿在南六采区安装了一套KJ75N 瓦斯抽采监测监控系统，并在22611综采面的带式输送机巷、综采面上隅角、轨道回风巷等瓦斯易于积聚的地方安装瓦斯传感器、氧气传感器、风速传感器、温度传感器及CO 传感器等相关设备，确保监控系统的监测信号质量，连续监测瓦斯数据。

图4 综采面上隅角双埋管布置图

采取以上综合治理措施后，南六采区22611综采面的通风量与以前的进风量相比有大幅升高，且此风量为最合理通风量，有效稀释了综采面的瓦斯浓度；顶板走向水平长钻孔抽采采空区瓦斯，避免了大量采空区瓦斯进入综采面；综采面上隅角双埋管抽采降低上隅角处的瓦斯浓度。监控设备上瓦斯浓度数据显示，综采面上隅角和回风巷的瓦斯浓度得到很好的控制，确保了综采面的正常开采。

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