低透气性厚煤层综放开采瓦斯抽采关键技术

张西寨 李万仕 赵国强

(陕西华彬煤业股份有限公司)



低透气性厚煤层综放开采瓦斯抽采关键技术

张西寨 李万仕 赵国强

(陕西华彬煤业股份有限公司)

针对彬长矿区下沟煤矿侏罗纪4#煤层厚度大、透气性差，本煤层预抽效果不佳，综放开采瓦斯涌出量大等难题，综合采取“本煤层扇形钻孔+平行钻孔”采前预抽和边采边抽，专用瓦斯抽放巷抽采采空区瓦斯等技术，上隅角瓦斯浓度稳定在0.35%左右，回风顺槽瓦斯浓度稳定在0.3%左右，风排瓦斯量为3.5 m3/min，工作面瓦斯抽采取得了明显效果，保证了工作面安全回采。

低透气性 专用瓦斯抽放巷 瓦斯抽采 厚煤层 防灭火

针对矿井瓦斯治理难题，袁亮[1-3]院士研究了低透气性高瓦斯煤层群无煤柱快速留巷Y型通风煤与瓦斯共采关键技术；郭海亮等[4]针对综放工作面瓦斯问题,研究了顶板走向高抽巷和内错瓦斯尾巷综合治理技术；于宝海等[5]研究了本煤层瓦斯抽采钻孔布置间距的优化方法；刘涛[6]等研究了高位钻孔瓦斯抽采技术。彬长矿区下沟煤矿主采侏罗纪延安组4#煤煤层厚度较大，赋存稳定，受地质构造、煤层顶底板岩性、上覆基岩厚度、煤层厚度等因素综合影响[7]，瓦斯赋存稳定，最大瓦斯含量4.68 m3/t，煤层透气性差，瓦斯吸附特性强，钻孔瓦斯衰减周期短，在综放工作面瓦斯治理过程中，本煤层预抽率普遍不高，回采过程中大量吸附瓦斯，解吸后工作面绝对瓦斯涌出量大，采空区大量的瓦斯涌出，导致上隅角、工作面瓦斯超限，严重影响矿井安全生产。因此，降低综放工作面采空区瓦斯浓度，成为保障工作面安全高效生产的关键。

1 工作面概况

1.1 工作面布置

彬长矿区下沟煤矿ZF301工作面位于403采区南部，工作面埋深约350 m，煤层倾角0°～18°，平均厚度15.94 m，工作面采用“U”型通风方式，巷道布置如图1所示。4#煤层的邻近层4上、4上-2、4上-1分别与4#煤相距28.12,31.2,35.44 m，煤层厚度分别为0.95,1.36,1.45 m，均处于采动影响范围内。

1.2 煤层瓦斯参数

ZF301工作面煤层瓦斯含量3.54～4.55 m3/t，瓦斯压力0.18～0.20 MPa，煤层透气性系数0.77～0.98 m2/(MPa2·d)，钻孔自然瓦斯流量衰减系数0.037 9～0.047 8 d-1，瓦斯放散初速度为0.775 mmHg，吸附常数a=21.556 m3/t，b=0.779 MPa-1。主采4#煤层属于可采煤层，但接近于难抽采煤层。

图1 ZF301工作面巷道布置

1.3 瓦斯涌出量

ZF301工作面瓦斯涌出主要包括煤壁瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出[8](图2)。工作面最大绝对瓦斯涌出量75.06 m3/min，平均涌出量55.05 m3/min，其中本煤层瓦斯涌出量平均17.99 m3/min，占33%，采空区瓦斯涌出量平均37.06 m3/min，占67%。采空区是工作面瓦斯的主要涌出来源。

图2 工作面瓦斯涌出来源

2 瓦斯综合抽采技术

结合ZF301工作面瓦斯涌出规律，采用“扇形钻孔+平行钻孔”强化本煤层抽采，专用瓦斯抽放巷抽采采空区瓦斯等综合抽采技术。

2.1 “扇形钻孔+平行钻孔”本煤层瓦斯抽采

由于ZF301工作面倾角大，最大18°，在回风顺槽施工本煤层钻孔时容易被煤体中水分封堵，影响抽放效果，因此仅在运输顺槽布置本煤层钻孔。

在运输顺槽每50 m施工一瓦斯抽放钻场，钻场参数为4 m×4 m×3 m，每个钻场布置抽放钻孔25个，钻孔呈半扇形布置，钻孔直径113 mm，平均深度149 m，钻孔参数见表1。

在两钻场之间布置平行孔，平行孔直径为113 mm，前500 m平行孔间距为1 m，其他平行孔间距为2 m，深度均为150 m。钻孔布置如图3所示。

2.2 专用瓦斯抽放巷抽放采空区瓦斯

2.2.1 专用瓦斯抽放巷瓦斯抽放方法[9-10]

在工作面回风巷向煤层顶板开一条联络巷道，沿顶板开挖一条与回风巷平行的顶板巷道，抽放瓦斯时，将抽放管放入联络巷道内，封闭联络巷。使抽放管一端封在巷道内，另一端接入抽放系统，涌入顶板巷道内的瓦斯可由抽放系统抽出，从而改变了工作面上隅角瓦斯流向，起到降低上隅角和工作面回风流中的瓦斯浓度的作用。

2.2.2 专用瓦斯抽放巷布置

专用瓦斯抽放巷布置层位是影响抽放效果的最关键因素，综放开采上覆岩层扰动范围大，裂隙发育，会使煤层和岩层整体大范围的压力卸荷，卸压瓦斯受采动影响大量解吸释放，如果专用瓦斯抽放巷布置层位过高将难以及时抽放这部分卸压瓦斯，造成上隅角瓦斯超限，同时导致巷道向采空区深部延伸，增加采空区漏风半径，不利于采空区防灭火管理；若巷道布置层位过低又会造成巷道受采动影响严重，难以发挥最佳作用，甚至在工作面液压支架前部发生冒顶，与工作面贯通失去作用。下沟煤矿4#煤层顶板上部14.5 m范围内主要为泥岩，强度小，软弱致密，易产生变形和破坏，且变形破坏后发育的横向、纵向裂隙较小，不利于瓦斯运移，因此不宜将专用瓦斯抽放巷布置在顶板泥岩及其上部岩层中。综合考虑，沿4#煤层顶板内错回风顺槽15 m布置专用瓦斯抽放巷，与工作面最小层间距保持在8 m以上(图1)。

表1 本煤层瓦斯抽放钻孔参数

图3 本煤层瓦斯抽放钻孔布置示意

专用瓦斯抽放巷宽3.8 m，高2.8 m，采用“锚杆+锚索+钢筋托梁+混凝土全断面喷浆”综合支护形式，喷浆厚度不小于100 mm，底板加厚喷浆，喷注混凝土强度等级不低于C20。

2.2.3 专用瓦斯抽放巷抽采技术

专用瓦斯抽放巷施工后对巷口密闭，同时埋设φ800 mm抽放管路，利用地面低负压瓦斯抽放系统进行抽放，采用2BEC100型水环式真空泵，额定抽气量1 040 m3/min。专用瓦斯抽放巷采用块石、水泥、黄土、沙子等不燃性材料密闭，密闭墙长度6 m，两侧是由块石和水泥砂浆砌成的墙体，厚度为1 m，内部采用黄泥充填。

构筑密闭墙时安装瓦斯抽放管、观察管、灌浆管、放水管。抽放管安装在密闭墙内侧4 m处，距专用瓦斯抽放巷底板1.5 m；灌浆管内径100 mm，距专用瓦斯抽放巷底板1.5 m；观察管内径50 mm，距巷道顶板0.2 m处；放水管内径100 mm，布置在距巷道底板0.1 m处。

2.2.4 专用瓦斯抽放巷防灭火技术

巷道采用不燃性材料支护并全断面喷浆封堵煤体，杜绝煤体低温氧化，喷浆厚度100 mm，强度等级不低于C20；对专用瓦斯抽放巷内CO、CH4、温度等气体参数进行实时监测，每天取样，利用色谱分析仪进行气体成分分析，做好自然发火早期预报。一旦专用瓦斯抽放巷出现自然发火征兆则立即停止抽放，对专用瓦斯抽放巷采取注氮、黄泥灌浆、注三相泡沫、注高分子胶体等综合防灭火措施。

3 瓦斯抽采效果分析

ZF301工作面生产时最大绝对瓦斯涌出量75.06 m3/min，平均涌出量55.05 m3/min，工作面平均抽采瓦斯量保持在51.69 m3/min，工作面瓦斯抽采率93.9%，平均风排瓦斯3.36 m3/min。专用瓦斯抽放巷瓦斯抽量显著，抽放混合量平均为600 m3/min，抽放瓦斯浓度6%～8%，抽放纯瓦斯量平均42.54 m3/min；本煤层钻孔抽放浓度为8%～9%，混合量平均110 m3/min，抽放纯瓦斯量平均9.15 m3/min。瓦斯涌出量、瓦斯抽采纯量如图4所示，瓦斯抽采率如图5所示。专用瓦斯抽放巷预防自然发火效果明显，自工作面回采以来，专用瓦斯抽放巷内未检测到CO气体，巷内气体温度23 ℃左右。

图4 ZF301工作面抽采纯瓦斯量对比

图5 工作面瓦斯抽采率变化曲线

4 结 论

(1)下沟煤矿主采侏罗纪延安组4#煤层透气性差，钻孔自然瓦斯流量衰减快，属于可以抽采煤层，但接近于较难抽采煤层。

(2)ZF301工作面瓦斯涌出来源有煤壁瓦斯涌出、采空区瓦斯涌出和落煤瓦斯涌出，采空区瓦斯涌出占66%，是工作面瓦斯涌出的主要来源。

(3)综合采取“本煤层扇形钻孔+平行钻孔”采前预抽和边采边抽、专用瓦斯抽放巷抽采采空区瓦斯等综合抽采技术，能够有效解决工作面瓦斯问题。

(4)专用瓦斯抽放巷抽采采空区瓦斯是工作面瓦斯综合抽采的关键，巷道沿煤层顶板内错回风顺槽15 m布置，采用全断面喷浆封闭煤体、气体成分监测和自然发火早期预报以及出现发火征兆时向专用瓦斯抽放巷内注氮、黄泥灌浆、注三相泡沫、注高分子胶体等综合防灭火措施，有效杜绝了自然发火问题。

[1] 袁 亮．低透气性高瓦斯煤层群无煤柱快速留巷Y型通风煤与瓦斯共采关键技术[J]．中国煤炭，2008(6)：9-13．

[2] 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.

[3] 袁 亮.留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术[J].煤炭学报,2008,33(8):898-902.[4] 郭海亮，王海云．顶板走向高抽巷和内错尾巷联合布置解决综放工作面瓦斯问题[J]．煤炭技术，2003,22(11)：62-64．

[5] 于宝海，凌志迁，刘国忠．本煤层瓦斯抽放钻孔布置间距的优化方法[J]．煤矿安全，2009(3)：25-27．

[6] 刘 涛，李玉明，刘起余，等．1129回采工作面高位孔瓦斯抽放技术应用[J]．华北科技学院学报，2008，5(1)：21-23．

[7] 李万仕．下沟煤矿瓦斯地质规律探讨[J]．能源技术与管理，2010(6)：54-55．

[8] 赵海波，刘子坤，胡彬强，等．下沟矿ZF301工作面瓦斯涌出规律分析[J]．现代矿业，2016(5)：189-190,196．

[9] 林伯泉，张建国.矿井瓦斯抽放理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.

[10] 胡千庭.煤矿瓦斯抽采与灾害防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.

2016-09-19)

张西寨(1972—)，男，总经理，高级工程师，713500 陕西省咸阳市彬县姜嫄街5号。