近距离突出煤层群瓦斯综合治理技术研究

郭建行，高 旭，谭 毅，张慧杰

(1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京100013；3.太原华润煤业有限公司原相煤矿，山西 古交030200)

突出矿井的瓦斯治理技术是瓦斯抽采研究领域的技术性难题。国内外许多专家、学者对此进行了大量的探索和研究，如采用煤层瓦斯预抽，保护层开采，工作面顺层钻孔、高位钻孔、采空区埋管、地面压裂钻孔等方法抽采矿井瓦斯，在某种程度上增加了瓦斯的抽采率[1-4]。但常规的瓦斯抽采方法都有一定的局限性，单一方法对瓦斯抽采的效果非常有限，通常达不到煤矿安全生产的要求[5]。

本文以原相煤矿近距离突出煤层群综合瓦斯治理为基础，以上保护层优先开采的区域综合瓦斯治理为原则，采用本煤层预抽、高位钻孔抽采和采空区埋管抽采相结合的综合瓦斯治理方法，来满足煤矿安全生产的要求。

1 煤层及瓦斯赋存情况

1.1 煤层赋存状况

井田内共含煤14层，自上而下编号依次为01、02、03、1、2、3、4上、4、6、7、8、9、10、11号。可采及局部可采煤层有02、2、4、6、8、9号共6层，主采煤层为02、2、8、9号。可采煤层赋存情况见表1。

表1 可采煤层赋存情况表

1.2 瓦斯赋存状况

矿井设计分两个水平开采，以+680m水平开拓全井田的02、2、4号煤层，以+730m水平开拓全井田的6、8、9号煤层，先开采02号煤层作为保护层，后开采2号煤层，目前矿井只开采02、2号煤层，02、2号煤层瓦斯相关参数见表2。

表2 02、2号煤层瓦斯基础参数

1.3 工作面瓦斯涌出及运移规律分析

根据《矿井瓦斯涌出量预测方法(AQ1018-2006)》规定的分源预测法，对原相煤矿最深区域瓦斯涌出量进行了预测，预测结果见表3。

可以看出02号煤层在开采过程中，工作面瓦斯涌出量较大，其中本煤层瓦斯涌出比例小，邻近层瓦斯涌出比例大，主要是由于下邻近层层间距较小，受采动裂隙的影响，下邻近层瓦斯排放率可达80%以上，因此02号煤层在开采过程下邻近层瓦斯涌入过大，导致上隅角瓦斯超限，应以邻近层瓦斯抽采为重点。2号煤层在开采过程中，工作面瓦斯涌出量较小，其中本煤层瓦斯涌出比例相对较大，邻近层瓦斯涌出比例相对较小，主要是由于2号煤层在开采时，对应上部02号煤层已经采空，2号煤层完全处于卸压范围内。

表3 02、2号煤层瓦斯涌出预测

2 瓦斯治理现状及存在问题

2.1 邻近层瓦斯涌出大

通常，只采用本煤层顺层钻孔预抽方法，抽采效果不能满足防突需求及瓦斯涌出量大等问题，在原相矿近距离突出煤层群条件下，矛盾尤其严峻。目前原相煤矿02号煤层回采时，采用迈步钻场顺层钻孔预抽条带瓦斯形成顺槽，继而沿顺槽双向打平行钻孔进行预抽。02号煤层开采时，来自邻近层03、1、2号煤层、围岩、02号煤层区段煤柱以及采煤工作面的丢煤的瓦斯同时涌入02号煤层回采空间，造成风排瓦斯困难。

2.2 局部应力集中与微风巷道

02号煤层回采工作面巷道布置采用留区段煤柱双“U”型通风，此方法会降低采区回采率，导致回采工作面间的煤柱产生应力集中，增加局部区域突出危险性，并且不利于解放被保护层。另外，双“U”顺槽之间的联络巷会由于压差较小，产生微风或者无风的情况，不利于瓦斯的稀释。

2.3 采掘抽接替紧张

02号煤层与2号煤层层间距为7.3m<10m，并且都为突出煤层，需要分别进行预抽和保护层开采消突。02号煤层优化前工作面采用4条顺槽掘进，工程量大，预抽时间短，工作面衔接紧张，生产能力受制约。

3 区域瓦斯治理工程应用

3.1 开拓采准通风方式优化

3.1.1 开拓布置优化

原相矿优化前采用四巷制开拓，四条大巷布置于02和2号煤层中，优化后+730水平采用四巷制布置，其中轨道、胶带和第一回风大巷布置于4号煤层底板15m处，第二回风大巷布置于02号煤层中，满足《防突规定》对于突出矿井的开拓要求。

3.1.2 采准布置优化

原相矿优化前采用留区段煤柱走向及倾向长臂工作面，工作面推进长度一般小于1000m。优化后采用沿空留巷无煤柱走向长臂工作面，工作面推进长度一般在2000m左右。无煤柱大推进度工作面避免煤柱应力集中，提高了回采率，同时加大被保护煤层保护范围，改善被保护煤层的卸压保护效果。

3.1.3 工作面通风方式优化

02号煤层作为上保护层开采，优化前采用双“U”型通风方式，优化后工作面采用“U”型通风。可从根本上避免联络巷形成微风或无风巷道，简化工作面通风系统。

3.2 抽采系统优化

解决原相煤矿工作面多瓦斯涌出源、高瓦斯涌出量问题，原有抽采方式、方法已不能消除工作面瓦斯的威胁，因此实施综合瓦斯抽采。综合瓦斯抽采可以最大限度利用时间及空间增加瓦斯抽采量、提高瓦斯抽采率，降低瓦斯抽采成本，缓解采、掘、抽接替紧张的状态。

3.2.1 掘进工作面穿层条带预抽

优化前掘进工作面采用本煤层迈步钻场顺层钻孔预抽条带瓦斯，容易造成预抽时间短，往往难以有效消突。

优化后掘进工作面抽采调整为4号煤层底板掘进底抽巷，对02号煤层顺槽区域进行穿层条带抽采。顺槽掘进时，在4号煤层下方距离底板10m处，与顺槽内错25m，布置底板瓦斯抽放巷，施工穿层钻孔预抽02号煤层顺槽条带瓦斯，控制02煤层工作面顺槽两帮15m，钻孔直径113mm，终孔间距5m时。优化前后钻孔布置见图1、图2。

图1 02号煤层先抽后掘钻孔(优化前)

3.2.2 回采工作面采前预抽

优化前02号煤层采用定向长钻孔预抽区段瓦斯，钻孔长度约为500m。定向钻孔成本较普通钻孔高；02号煤层厚度平均为1.64m，为薄-中厚煤层，采用定向长钻钻孔终孔易于偏离煤层进入煤层顶底板，导致抽采纯度低；局部出现抽采空白区，需增加补充抽放钻孔；02号煤层煤质偏软，破坏类型为Ⅲ类，容易造成塌孔而无法抽采。

图2 底板瓦抽巷条带预抽钻孔(优化后)

优化后钻孔长度缩短一倍，无抽采盲区，钻孔长度较短不易塌孔，经现场抽放实践效果更理想。利用02号煤层上一回采区段的回风顺槽(沿空留巷)，向未采准区域施工瓦斯预抽钻孔，钻孔长度横跨一个回采区段并超过15m以上(孔深约为250m)，预抽下一回采区段瓦斯，预抽达标后掘进下一回采区段的工作面顺槽。钻孔孔径为113mm，钻孔终孔间距为3m，优化前后钻孔布置见图3、图4。

图3 02号煤层钻孔预抽(优化前)

图4 02号煤层钻孔预抽(优化后)

3.2.3 采中瓦斯抽采

采中瓦斯抽采主要针对卸压邻近层瓦斯进行抽采，优化前02号煤层在开采过程中不对邻近层进行瓦斯抽采，导致02号煤层开采过程中上隅角瓦斯过大。为了防止02号煤层在开采过程中下邻近层大量的瓦斯涌入，设计在02号煤层已采工作面下方受回采保护的2号煤层内(效果检验达标)施工一条走向煤巷(2号煤层开采时作为2号煤层工作面顺槽)。02号煤层开采对下邻近层的保护间距为43.20m，因此在2号煤层内施工走向煤巷与顺层钻孔进行预抽是可行的。

在煤巷每隔10m垂直煤壁施工一个2号煤层顺层钻孔抽采瓦斯，孔径为113mm，开孔高度为0.9m，钻孔倾角为“煤层倾角”，钻孔孔间距为10m，拦截下邻近层瓦斯涌入02号煤层，钻孔长度约为250m，具体钻孔布置见图5。

采用顶板高位钻孔布置方式进行回采02号煤上邻近层瓦斯抽采，设计顶板穿层钻孔直径113mm，钻场间距60m，钻孔长度60～80m，终孔位置位于采空区上方冒落带内，距离02号煤层15～20m。同时，通过抽采负压作用，改变工作面后方采空区及邻近层瓦斯流场。以此达到解决工作采空区瓦斯涌出、上隅角瓦斯超限的问题，具体钻孔布置见图6。

图5 02下邻近层抽采钻孔布置示意图

02、2号煤层层间距为7.3m，02号煤层开采完后，2号煤层瓦斯排放率可达到80%，2号煤层处于卸压状态，裂隙发育，瓦斯排放量成倍的增加，另外考虑到抽采负压的作用，2号煤层的瓦斯排放率可达到更高。

3.2.4 采后瓦斯抽采

半封闭采空区一般采用埋管法进行抽采，沿工作面的回风巷的上帮敷设一条瓦斯抽采管。随着工作面的推进，瓦斯管道一端逐渐埋入采空区，瓦斯管路每隔一定距离设一三通，当工作面推进至下一个埋管口三通处，将埋在采空区的前一埋管段控制阀门关闭，打开下一循环的埋管口阀门，以此达到利用埋管不断抽采采空区瓦斯的目的，埋管的有效长度一般为30m，具体布置见图7。

全封闭采空区一般为老空区，回采工作面回采完毕后，可以在采空区密闭墙上插入抽采管路，使采空区瓦斯在抽采负压的作用下，经抽采管路而抽出，具体布置见图8。

图7 半封闭采空区埋管抽采布置图

图8 全封闭老采空区瓦斯抽采方案

4 瓦斯抽采量预测与验证

4.1 瓦斯抽采量预测

矿井在02号煤层采用工作面预抽及边采边抽、掘进工作面预抽和采空区瓦斯抽采等立体综合瓦斯抽采方法，矿井瓦斯抽采量计算结果如表4所示。

表4 矿井抽采面配置及瓦斯抽采量预计汇总表/(m3/min)

4.2 瓦斯抽采效果验证

4.2.1 回采工作面瓦斯抽采效果

原相煤矿02号煤层回采工作面预测瓦斯涌出量为59.33m3/min，瓦斯抽采量为40.84m3/min，则工作面瓦斯抽采率为68.84%>50%的规定。

02号煤层工作面预抽时间为300天，工作面本煤层抽采量为20.81m3/min。工作面本煤层抽采后工作面瓦斯含量降为4.06m3/t。抽采后工作面可解吸瓦斯量1.56m3/t<7m3/t的规定。

4.2.2 矿井瓦斯抽采效果

原相煤矿预计最大瓦斯涌出量为105.13m3/min，矿井瓦斯抽采量为61.10m3/min，则矿井瓦斯抽采率为58.12%>45%的规定。

根据目前矿井生产布置情况，矿井瓦斯涌出量为105.13m3/min，抽采量为61.10m3/min，则风排瓦斯量为44.03m3/min，矿井目前总配风量为8452m3/min，考虑1.2的富裕系数，回风瓦斯浓度0.63%，完全满足要求。

5 结论

1)02号煤层在回采过程中工作面本煤层瓦斯涌出比例较小，邻近层瓦斯涌出比例较大，区域瓦斯治理措施不但要考虑本煤层瓦斯抽采，同时要重点兼顾邻近层瓦斯治理。2号煤层在开采过程中受到02号煤层回采卸压保护，瓦斯涌出量相对较小，按采掘抽规划已经进行长时间的卸压抽采，减少了预抽工作量。

2)回采工作面采用“U”型通风，走向长臂式工作面沿空留巷一次采全高的回采方式，可以避免因区段煤柱应力集中造成巷道支护困难，增加被保护煤层有效保护范围，改善被保护煤层的卸压保护效果，减少采准巷道工程量，增加回采区段预抽时间。

3)采用掘进工作面条带瓦斯穿层预抽、回采区段瓦斯顺层预抽、上下邻近层边采边抽、采空区瓦斯卸压抽采相结合的立体瓦斯抽采措施，能解决回采工作面瓦斯涌出大，上隅角瓦斯超限等问题，提高瓦斯抽采量，保证保护层回采的安全高效。

[1] 杨相玉,杨胜强,路培超.本煤层钻孔抽采瓦斯的效果评价及优化分析[J].煤矿安全,2013,44(6):162-164.

[2] 王增全.高瓦斯工作面立体瓦斯抽采技术[J].煤炭科学技术,2013,41(10):86-89.

[3] 李树清,颜智.近距离煤层群下保护层开采瓦斯防治及涌出规律分析[J].煤矿安全,2013,44(10):199-201.

[4] 许太山.高瓦斯矿井综合瓦斯抽采技术实践[J].煤炭科学技术,2012,40(12):52-54,96.

[5] 沈怀津,郑孝鹏.低透气性高瓦斯煤层立体多层次瓦斯综合治理技术[J].煤矿开采,2007,12(4):72-75.