突出矿井深部新水平开采瓦斯综合治理模式研究

杨家忠

（煤矿瓦斯治理国家工程研究中心邯郸分中心，安徽 淮南 232001）

0 引 言

我国煤炭开采每年以10～25m的速递向深部延伸，深部煤层瓦斯压力大，瓦斯含量高，回采期间瓦斯涌出量大，原有的瓦斯治理模式并不能完全适应深部开采。特别是原开采水平较浅，突出危险性较弱，进入深部新水平后，瓦斯治理方法不能满足矿井开拓、生产需要，极易引起煤与瓦斯突出事故。因此，针对深部新水平开采，建立适合矿井安全高效生产的瓦斯治理模式十分必要。本文以陶二矿进入深部新水平开采为例，建立底板巷“一巷多用”，综合本煤层、裂隙带、采空区的沿空留巷Y型通风瓦斯综合治理模式，为矿井高产高效奠定基础。

1 矿井概况

陶二煤矿位于河北省邯郸县境内，生产能力为1．25Mt／a。井田地面标高140m左右，目前矿井有2个生产水平，一水平标高－258m，是目前矿井主要生产水平；二水平标高－711m，将逐步成为主采水平。矿井有3个生产采区，分别为一水平北二采区、四下采区和－711m水平首采区。首采区开拓方式为副立井与暗斜井混合开拓，上山式开采。矿井通风方式为混合式，通风方法为抽出式，矿井现有抽采系统3套，地面1套瓦斯抽采能力为150m3／min，井下移动泵站2套额定抽采能力为120m3／min。矿井可采煤层6层，首采开采1＃、2＃煤层，平均厚度分别为1．04m、3．17m，平均层间距为23m。

首采面2＃煤层曾于2007年4月20日在2211上巷（标高－390．7m）综掘工作面发生一次煤与瓦斯突出事故，突出抛出煤岩总量475吨，在5个多小时内涌出瓦斯近64897m3，死亡11人。事故后矿井升级为煤与瓦斯突出矿井，1＃、2＃煤层经鉴定均为突出煤层。

2 采区概况

－711m水平首采区位于井田东南深部－550～－850m，主采的2＃煤层顶板岩性多为砂质泥岩和泥岩，是瓦斯保存的良好盖层；首采区地质构造复杂，褶皱较发育，地应力集中，是矿井开采的首个煤与瓦斯突出危险采区。煤层开采过程中地应力显现明显，瓦斯压力高（1．51MPa）、含量大（13．102m3／t），煤较破碎。煤层透气性系数为0．158m2／MPa2·d，属于较难抽放煤层。瓦斯有效抽采半径为3．5m。上阶段2211工作面回采瓦斯涌出量达20m3／min。矿井的2＃煤层的自燃倾向等级均为Ⅲ类不易自燃，煤尘均不具爆炸性。

根据矿井规划，首采区共有6个工作面，分别为2211、2213、2214、2215、2216、2217工作面。其中2211、2214工作面已回采结束，2216位于该采区北翼。矿井由原来一水平（标高－258m）进入深部二水平（标高－711m），煤与瓦斯突出灾害将愈加严重，建立适合矿井安全高效生产的瓦斯治理模式十分必要。

3 现有瓦斯治理模式及存在问题

3．1 瓦斯治理模式

现有瓦斯治理模式主要为:煤巷掘进采用本煤层顺层钻孔预抽条带煤巷煤层瓦斯治理措施；回采区段采用顺层钻孔预抽工作面瓦斯、上隅角埋管、高位钻场顶板走向钻孔等瓦斯治理措施。

煤巷掘进区域防突措施采用顺层钻孔预抽条带煤巷煤层瓦斯；钻孔孔径75mm，控制巷道两侧轮廓线外18m，控制条带长度70m；钻孔在整个预抽区域内均匀布置，钻孔孔数17个，两排布置（见图1）。工作面在区域防突效果有效区域内进行掘进时，工作面距未预抽或预抽防突效果无效范围的前方边界不得小于20m。煤巷掘进与工作面回采区段预抽煤层瓦斯措施如图1所示。

图1 顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯钻孔布置示意图

顺层钻孔覆盖整个预抽区域。在工作面下巷上帮采用钻孔直径113mm时，钻孔间距5m；采用钻孔直径94mm时，钻孔间距3m；钻孔深度不小于70m。在工作面上巷下帮采用钻孔直径94mm、钻孔间距3m，钻孔深度不小于70m。钻孔布置见图2。

图2 2214采煤工作面顺层钻孔布置示意图

3．2 存在的问题

2007年以前，陶二矿开采浅部处于瓦斯风化带或低瓦斯区域。2007年以来，随着开采深度的增加和开采区域的调整，矿井升级为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯治理已经上升为制约矿井安全和生产的主要矛盾。由于瓦斯治理思路没有转变，治理技术没有突破，瓦斯抽采效果差，抽采钻孔利用低，矿井平均抽采率低，煤与瓦斯突出事故得不到有效遏制，瓦斯超限，校检超标更是经常发生。因为瓦斯问题的制约，煤巷掘进单进低，先进的采掘方式难以实施，实际产能没有得到充分发挥。前期本煤层条带预抽打钻、掘进施工存在着以下问题［1］。

（1）采区地应力大，应力集中，煤比较破碎，在前期煤巷掘进工作面顺层打钻过程中经常出现响煤炮、喷孔、卡钻、夹钻、掉钻杆等现象。钻孔深度浅，无法达到抽放钻孔设计要求；钻进速度慢、成孔率低，成孔后随即出现塌孔现象，造成重复打钻，无法实现高产高效的要求。

（2）煤层赋存不稳定，褶皱较发育，造成掘进工作面顺层钻孔打不到位，部分钻孔打到煤层顶板或底板，存在消突空白带，钻孔利用率低。后期必须增加钻孔量或局部消突措施，无法实现规模化安全高效开采。

（3）煤巷掘进因采用“拼刺刀”方式掘进，煤巷条带预抽消突措施已经不能满足深部采区瓦斯治理要求。经常出现效果检验、验证指标超标、瓦斯超限等现象；巷道顶板破碎严重，支护困难，极易诱发煤与瓦斯突出事故。且巷道单进低，平均25m／月左右。

（4）掘进头封孔合茬抽采，不做巷帮钻场，不能实现连续抽采，造成抽采浓度低、时间短，不仅影响掘进速度，而且区域消突效果差［2］。

4 新模式探讨

矿井现有的瓦斯治理模式［3］已经不能保障矿井的安全高效生产。实践也证明在本矿瓦斯地质条件下因循守旧的采取本煤层顺层条带预抽掩护煤巷掘进的“拼刺刀”做法已走入长时低效的绝境。根据本矿的具体情况，本着安全高效的原则，探索了一种新的瓦斯综合治理技术模式:

采区开拓瓦斯治理为在2＃煤层底板增加底板巷，采用底板岩巷施工穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯区域防突措施掩护煤巷掘进［4］；后期底板巷可兼做Y型通风回风巷、尾抽巷、措施巷，实现了“一巷多用”。

采区开采瓦斯治理则采用顺层钻孔预抽本煤层瓦斯。综合考虑打钻成本和开拓工期，充分利用底板巷施工穿层钻孔预抽开切眼附近区段的瓦斯，以缩短采区投产时间，实现采区形成即可采煤。

采后瓦斯治理则综合采取了高位钻场顶板走向钻孔、上隅角埋管（采空区埋管）、沿空留巷Y型通风“三法并举”的瓦斯综合措施治理。具体如下:

4．1 底板岩巷穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯消突

2211工作面已回采，后续采掘接替在位于突出危险区域内的2213、2215、2217三个工作面联合布置底板岩巷，按照“n＋1”模式（n为工作面个数）布置4条底板岩巷。每工作面两巷均采用底板岩巷条带式预抽煤层区域瓦斯治理措施为主，掘进时适当辅以短钻孔相结合的综合瓦斯治理措施。

底板巷位置:分别在距2213上巷、2215上巷、2217上巷、2217下巷里侧平距20m、24．6m、24．6m、24．65m（帮－帮），2＃煤层底板17m 以下布置一条底板岩巷，距工作面切眼里侧20m位置处施工联巷联通，始终位于2＃煤层底板17m以下，分别与2213、2215、2217顶板绕道贯通，实现底板岩巷全负压通风。底板岩巷净断面为4．2×3．4m（宽×高）。巷道布置见图3。

底板巷条带穿层预抽钻孔按5×5m（轴向×轴垂线）布置，孔径113mm，分别控制到工作面两巷、切眼两帮轮廓线外15m范围内2＃煤体。钻孔布置见图4～5。

图3 “n＋1”模式底板岩巷布置示意图

图4 沿底板岩巷轴垂线剖面钻孔布置示意图

图5 平面钻孔布置示意图

4．2 沿空留巷Y型通风“一巷多用”瓦斯治理

在工作面上巷内，实施沿空留巷措施，实现工作面两进一回通风方式，有效治理工作面上隅角瓦斯，并且改善工作面作业环境［5］。由于深部开采，地应力较大，留巷支护不易，利用底板巷回风，采取阶段性留巷技术。

4．2．1 底抽巷兼做回风巷

考虑到沿空留巷巷道支护及维修难度，从上底板瓦斯预抽巷施工联巷与工作面上巷贯通，联巷初期按每80m一条，在工作面回采过程中视留巷成巷程度，可以适当加大联巷间距。待联巷采空区侧留巷成巷较差，不能满足工作面通风断面时，则将里侧封闭，利用联巷进行回风，确保Y型通风的连续和稳定性。如图6所示。

图6 底抽巷兼做Y型通风回风巷示意图

4．2．2 底抽巷兼做尾抽巷

底抽巷也可兼做尾抽巷，视回采期间工作面瓦斯涌出量情况，在上巷封闭工作面里侧对应尾部联巷进行封闭埋管抽采采空区瓦斯，如图6所示。

4．2．3 底抽巷穿层钻孔抽采回采区域瓦斯

－711水平首采区煤层赋存不稳定，褶皱较发育，顺层钻孔预抽煤层瓦斯布置容易出现消突空白带；采区地应力较高，长钻孔施工困难，经常出现钻孔打不到位的情况。针对这些问题，可以从底板巷施工穿层钻孔预抽特定区域瓦斯，形成三维立体化瓦斯抽采体系，优化瓦斯治理的手段。

4．3 高位钻场顶板走向钻孔抽采裂隙带瓦斯

工作面回采后，采空区顶部裂隙带赋存大量高浓度的卸压瓦斯［6］，可布置高位钻场顶部走向钻孔抽采。自工作面切眼起，直至停采线止，沿2213工作面、2215工作面、2217工作面上巷每隔60m布置1个高位钻场，钻场规格为深（5．5m）×宽（5m）×高（2．8m），在每个钻场中施工4排共计16个高位钻孔，每排4个钻孔，钻孔孔径为不小于94mm，抽采1＃煤层及上隅角瓦斯，钻孔控制前方90m范围，钻孔压茬30m。高位钻场顶板走向钻孔前期必须施工。具体布置见图7。

图7 高位钻场顶板走向钻孔布置示意图

4．4 顺层钻孔预抽本煤层瓦斯

本煤层顺层钻孔布置:2217（面长105m）、2215（面长90m）工作面:自工作面停采线起，工作面切眼止（其中2217工作面至往工作面内100m处止），因工作面面长较短，分别在工作面下巷每5m施工一个顺层钻孔，钻孔深分别为90m、75m。长钻孔施工有困难时也可在上、下巷两端施工，控制整个工作面回采区段。

图8 2215、2217工作面顺层钻孔布置示意图

2213工作面（面长130m）:自工作面停采线起，工作面切眼止，在其上、下巷内每5m施工一个顺层钻孔，钻孔深70m。钻孔布置见图8～9。

图9 2213工作面顺层钻孔布置示意图

4．5 采空区埋管抽采瓦斯

在工作面采空区域沿空留巷段，初次埋管数量断面与联接抽采管路匹配（同断面），往后每30～50m埋一直径200mm抽采管，后期再根据抽采情况可以适当调整埋管间距。埋管与回风顺槽内直径200mm抽采管联接，并入永久抽采系统抽采。

5 结束语

（1）底板巷穿层钻孔抽采煤巷条带瓦斯技术杜绝了煤矿工人与瓦斯“短兵相接”的被动瓦斯治理局面，消除了“拼刺刀”的危险作业方式，预防和避免了瓦斯超限、煤与瓦斯突出等事故的发生，实现了高瓦斯突出煤层在低瓦斯状态下的安全开采。

（2）煤巷预抽瓦斯消突为煤巷掘进提供了良好的工作环境。先进的采掘技术及装备得以利用，提高了煤巷掘进机械化水平和单产单进水平；连续开采得以实现，优化了煤巷掘进工艺，节省了掘进时间，提升了矿井高产高效建设水平。

（3）探索了陶二矿－711水平首采区瓦斯综合治理模式。煤巷掘进工作面采用底板岩巷施工穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯区域防突措施；回采工作面采用沿空留巷Y型通风瓦斯综合治理措施，其中顺层钻孔预抽本煤层瓦斯，高位钻场顶板走向钻孔抽采裂隙带瓦斯，上隅角、尾巷埋管抽采采空区瓦斯，形成了矿井三维立体瓦斯抽采体系，优化了矿井瓦斯抽采手段，有效保障了将煤层降至低瓦斯状态下再进行回采，将煤层瓦斯降至低瓦斯状态下再进行安全高效开采。

（4）－711m水平首采区瓦斯治理统筹布局，底板巷采取“n＋1”模式布置，不仅掩护煤巷安全高效掘进，且在工作面回采工程中可兼做回风巷、尾抽巷、措施巷，实现了“一巷多用”，与“一面四巷”比较，节省了n－1条岩巷。

1 申广君．煤巷掘进工作面瓦斯治理技术现状及存在问题分析［J］．煤矿安全，2012，43（5）:127－129．

2 甘林堂．巷帮钻场深孔抽采配合迎头孔卸压防治掘进工作面煤与瓦斯突出［J］．煤矿安全，2007，（08）:17－19．

3 袁亮．低透气性煤层群瓦斯抽采理论与技术［M］．北京:煤炭工业出版社，2004．

4 张明杰．单一煤层底板巷穿层钻孔预抽煤巷瓦斯条带区域防突技术［J］．中国工程科学，2011，42（6）:30－32．

5 袁亮．低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采理论与实践［M］．北京:煤炭工业出版社，2008．

6 袁亮．开采煤层顶板环形裂隙圈内走向长钻孔法抽放瓦斯研究［J］．中国工程科学，2004，6（5）:32－38．