塔山矿地面垂直钻孔治理工作面瓦斯技术与实践

力尚全 庞叶青

1 矿井和工作面概况

塔山煤矿是同煤集团开采石炭二叠系煤层的第一座特大型现代化矿井。井田走向长度24.3 km，倾向宽度11.7 km，面积170.9 km2。可采煤层5层，分别是山4#、2#、3#、5#、8#层。主采煤层石炭系 3～5#煤层，埋深500 m左右，煤层平均厚度15 m，赋存稳定。2009年后，矿井瓦斯等级鉴定结果均为高瓦斯矿井。2016年矿井瓦斯等级鉴定为矿井相对瓦斯涌出量2.05 m3/t，绝对瓦斯涌出量97.58 m3/min。塔山煤二盘区8204工作面煤层平均厚度14.35m，煤层倾角3～5°，工作面长度207 m，走向长度1020 m，采用U型通风，日产煤量3.2万 t。工作面瓦斯含量平均为 2.39 m3/t，最高3.232 m3/t，煤层瓦斯压力小，最大 0.245 MPa，透气性差，透气性系数为 1.108-1.132 m2/(MPa2⋅d)，钻孔抽放流量衰减快，瓦斯流量衰减系数为 0.572～0.643 d-1。与8204工作面相邻的8202工作面绝对瓦斯涌出量30～40 m3/min，生产期间工作面上隅角甲烷浓度0.6～0.8%，回风流甲烷浓度0.4～0.6%。

2 工作面瓦斯涌出规律

塔山矿特厚煤层综放开采，采空区空间大，遗煤相对较多，顶板不能随着顶煤的碎裂、采出而及时充分跨落，形成的空洞内积聚大量瓦斯。工作面推进过程中顶板跨落，空洞内瓦斯瞬时被大量挤出，再加上高强度开采落煤时解吸的瓦斯，表现出“低瓦斯赋存，高瓦斯涌出”的特点[1-3]。利用束管检测系统在工作面进、回风顺槽向工作面采空区埋管，进行气体连续取样监测，得出采空区瓦斯分布状态，如图1所示。

图1 8204采空区内甲烷浓度分布曲线

塔山矿尝试过顶板巷和上隅角埋管抽放采空区瓦斯的治理方法，但无法解决顶板周期来压期间上隅角瓦斯超限问题。通过对大量观测数据的统计分析得出，塔山矿特厚煤层工作面开采过程中，随着采空区顶板周期来压的变化，工作面上隅角瓦斯浓度变化特征表现为“速升－快减－缓降”三阶段过程[10-14]，其中速升时间持续短，瓦斯浓度迅速达到峰值，峰值出现时间晚于顶板跨落时间。如图2所示。

图2 顶板运动时瓦斯浓度变化规律曲线

特厚煤层综放工作面顶板塌落造成采空区高浓度瓦斯在瞬间涌向工作面，造成瓦斯严重超限[4-9]。工作面瓦斯源的测试分析得出：超过90%的瓦斯来源于采空区，控制采空区瓦斯向工作面的大量涌出是瓦斯治理的关键。

3 地面垂直钻孔抽放瓦斯实践

3.1 地面垂钻孔抽放瓦斯方案

塔山矿从矿井投产后，就不断探索研究工作面瓦斯治理新技术，钻孔预抽本煤层瓦斯效果不理想，顶板抽放巷大流量抽放、截留上隅角后部采空区瓦斯的方法取得良好效果，但是在应用过程中依然存在不足，通过理论研究和分析，依据顶板抽放巷的技术原理，研究制定了地面大直径垂直钻孔替代顶板抽放巷的瓦斯治理技术方案。[15]

3.2 地面垂直钻孔设计

首先在8204工作面进行地面垂直钻孔抽放瓦斯的工程试验，沿工作面走向320 m范围内按孔距50米布置7个垂直钻孔，首孔距工作面切眼32 m，钻孔垂直位置内错5204巷15～30 m；钻孔深约500 m，孔底距3～5#煤层底板10 m。钻孔结构：地表下120 m孔径425 mm，下管径355 mm护孔钢管，地表下120 m至终孔点孔径311 mm，为裸孔。钻孔参数见表1。

表1 地面垂直钻孔布置参数表

3.3 瓦斯抽放系统及运行情况

瓦斯抽放泵站布置在塔山矿二风井地面，抽放泵选择两台2BEC120型抽放泵，额定流量为1275 m3/min，地面垂直钻孔抽放主管路为DN900钢管，主管路通过DN300支管路与钻孔套管连接。

图4 地面垂直钻孔平面示意图

表2 钻孔抽放系统运行情况

4 瓦斯抽放治理效果与分析

选取8204工作面开采一个月期间推进位置0～

142 m、对应1#钻孔和2#钻孔的瓦斯抽放数据，得出瓦斯浓度的变化曲线如图5所示。

图5 1#、2#垂直钻孔抽放瓦斯量曲线

通过分析可知：

1）随着工作面开采逐渐接近地面垂直钻孔，钻孔超前工作面距离15 m后，钻孔抽放甲烷浓度由1%开始快速上升，当工作面煤壁对应钻孔位置时，甲烷浓度达到28.7%，图中①阶段。之后甲烷浓度逐渐降低，当钻孔远离工作面煤壁40 m时，浓度降低至5%左右，图中②阶段。

2）地面钻孔抽放瓦斯可分为三个阶段。第一阶段：钻孔超前工作面距离大于15 m，抽放未受采动影响煤体瓦斯，由于透气性差，甲烷浓度较低，约1%；第二阶段，钻孔超前工作面距离小于15 m后，甲烷浓度随工作面推进快速上升，表明抽到煤岩体采动裂隙区瓦斯；第三阶段：工作面推过钻孔后，抽放采空区内高浓度瓦斯并维持较长的推进距离，距离超过40 m后，浓度降低至约5%。钻孔抽放瓦斯第三阶段后期，相邻的下一个钻孔已经开始接替到位。

3）地面大直径垂直钻孔大流量抽放特厚煤层综放工作面瓦斯技术，提高了瓦斯抽采率，改变了采空区瓦斯流场，控制了工作面瓦斯的瞬时大量涌出，大幅度降低了回风及上隅角瓦斯浓度。

塔山矿采用地面垂直钻孔抽放8204综放工作面瓦斯期间，工作面瓦斯涌出量显著降低，消除了由于顶板塌落产生的采空区瓦斯瞬间大量涌出事故，上隅角瓦斯浓度控制在0.4%～0.8%之间，回风流瓦斯浓度稳定在0.2%～0.4%之间。目前，地面大直径垂直钻孔抽放瓦斯治理技术已经在塔山矿8201、8101、8203得到推广应用，且效果良好。

5 结论

1）塔山矿低瓦斯含量、低透气性煤层，采用地面垂直钻孔抽放超前综放工作面煤岩体采动裂隙区瓦斯，和工作面上隅角后上方采空区瓦斯，抽放甲烷浓度最高可达28.7%，钻孔位于工作面煤壁前后15米范围抽放效果最好。

2）特厚煤层综放工作面，采用地面大直径垂直钻孔抽放瓦斯治理技术，避免了工作面高强度开采与瓦斯治理工程在时间和空间上的矛盾，改善矿井安全生产环境，是工作面瓦斯治理新的技术途径。

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