高瓦斯矿井煤层瓦斯抽采设计

杨海鹏

（山西寿阳潞阳祥升煤业有限公司，山西 寿阳 045400）

1 基本概况

山西祥升煤矿为高瓦斯矿井，6#煤层厚约2.1 m。顶板为砂质泥岩或泥岩，底板为砂质泥岩，属稳定煤层。6#煤层进行了瓦斯基础参数测定，6#煤层瓦斯含量为7.84～9.43 m3/t，煤的瓦斯吸附常数a为31.251～33.095，煤的瓦斯吸附常数b为1.360～1.492，煤的孔隙率为7.1%～8.3%，钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.0089～0.0201（d-1），煤层瓦斯压力为0.13～0.28 MPa，煤层透气性系数为0.163～0.297 m2/（MPa2•d），瓦斯放散初速度17.17～20.08，煤的坚固性系数为0.48～0.60，煤的破坏类型为Ⅱ～Ⅲ类。采用分源预测法对矿井生产时期的矿井瓦斯涌出量进行了预测[1]，针对瓦斯涌出，瓦斯抽采是降低煤（岩）瓦斯含量的根本方法，是瓦斯治理的根本措施。因此，对6#煤层瓦斯抽采进行专项设计。

2 矿井瓦斯综合抽采方法

2.1 开采层瓦斯抽采

矿井开采6#煤层时，本煤层回采工作面瓦斯抽采采用预抽及边采边抽方法，在回采工作面回风巷施工平行顺层钻孔预抽瓦斯[2-4]，钻孔与巷道夹角90°，钻孔与水平面夹角与煤层倾角相同，钻孔长度130 m，钻孔直径94 mm，开孔高度1.3 m，钻孔间距3.0 m。

结合上组煤开拓开采规划，移交生产时，在上组煤一采区6#煤层布置1个综采工作面，对应的一采区3#煤层为老采空区积水区域，考虑老采空区积水的探放对瓦斯抽采工程的影响，在回采工作面回风巷施工的平行顺层钻孔间距调整为3.0 m，钻孔长度为140 m，钻孔直径为94 mm。设计取预抽时间为8个月。

2.2 邻近层瓦斯抽采

（1）6#煤层上邻近层瓦斯抽采

矿井开采6#煤层时，上部的3#煤层（层间距为11.22 m）已开采完毕，但上部还有1层不可采煤层，即4#煤层，层间距平均为7.36 m，因而6#煤层回采工作面上邻近层瓦斯主要来自上部不可采煤层和3#煤层采空区。本次设计6#煤层回采工作面采用高位钻孔对上部不可采煤层卸压瓦斯和采空区瓦斯进行抽采，以顶板裂隙作为通道抽采上部邻近层卸压瓦斯及采空区涌出的瓦斯。设计钻孔终孔位于3#煤层采空区内，增强高位钻孔瓦斯抽采效果。

高位钻孔参数如下：在6#煤层回采工作面回风巷中每隔3 m迎着工作面推进方向向顶板上方打1个与煤层斜交的高位钻孔，孔径为94 mm，终孔位置至3#煤层采空区，钻孔与回风巷之间的夹角为35°，钻孔倾角为19°，开孔高度为1.8 m，终孔位置与回风巷之间的水平净距为20 m，则高位钻孔长度为35 m。实际生产中可根据抽采情况进行调整。6#煤高位钻孔抽采上邻近层平面示意图见图1。

图1 高位钻孔抽采上邻近层平面示意图

（2）6#煤层下邻近层瓦斯抽采

根据矿井瓦斯涌出量预测报告可知，开采6#煤层时，下邻近层瓦斯涌出量来源于8#、9#煤层。本次设计下邻近层瓦斯抽采采用回采工作面运输巷和回风巷内布置的下向斜交穿层钻孔对下邻近层的卸压瓦斯进行抽采。结合6#煤层与下邻近层各煤层的层间距和卸压范围，钻孔的具体参数如下：在回采工作面运输巷和回风巷中每隔15 m迎着工作面推进方向向下方施工1组与下邻近层斜交的穿层钻孔，每组钻孔数量为3个，钻孔长度为80～115 m，钻孔直径为94 mm，钻孔终孔位置应在穿过9#煤层底板0.5 m处。钻孔呈扇形布置，随着6#煤层回采工作面采动卸压，对下邻近层瓦斯进行抽采。6#煤层下向斜交穿层钻孔布置剖面示意图见图2。

图2 煤层下向斜交穿层钻孔布置剖面示意图

2.3 采空区瓦斯抽采

（1）全封闭抽采老采空区瓦斯

矿井开采6#煤层时，进行老采空区全封闭瓦斯抽采以生产采区瓦斯涌出为主，已采采区瓦斯涌出为辅，其中已采采区瓦斯涌出占20.00%，可以看出祥升煤矿老采空区瓦斯涌出量较大，是矿井重要的瓦斯来源之一，为防止老采空区向矿井、采区涌出瓦斯，打密闭墙时，向老采空区密闭墙内插管，进行老采空区全封闭瓦斯抽采。老采空区全封闭抽采方法见图3。

图3 全封闭抽采老采空区瓦斯示意图

（2）现采空区瓦斯抽采

开采6#煤层时，即使经过上述抽采方法，下邻近层的瓦斯和上邻近层也有部分瓦斯会涌入6#煤层工作面后方的采空区，使采空区瓦斯涌出量大，为了确保回采过程中安全生产和上隅角瓦斯不超限，设计推荐采取采空区迈步埋管抽采，采空区埋管抽采方法布置见图4。

图4 采空区瓦斯抽采示意图

2.4 掘进工作面瓦斯抽采

（1）边掘边抽瓦斯抽采方法

掘进工作面两侧交替布置迈步钻场，钻孔长度120 m，钻孔直径94 mm，开孔高度1.5/3.0 m，钻孔间距0.5 m。

（2）迎头钻孔预抽瓦斯抽采方法

掘进工作面边掘边抽抽采效果不佳时，则在掘进工作面迎头布置抽采钻孔，共计12个钻孔（共布置3层，每层布置4个钻孔），钻孔朝向巷道前进方向，钻孔长度120 m，孔径94 mm。钻孔技术参数见表1。

表1 迎头钻孔技术参数表

掘进工作面抽采达标后开始掘进，若煤层瓦斯参数不达标则继续抽采。

3 瓦斯抽采系统及效果

下组煤高、低负压瓦斯抽采管网通过2个瓦斯管道钻孔（分别布置高、低负压抽采管路）接入地面瓦斯抽采泵站。本次设计上组煤井下高、低负压瓦斯抽采管网通过瓦斯管道钻孔在上组煤水平留设的接口分别与矿井现有的抽采系统对接。

3.1 瓦斯抽放量预计

上组煤瓦斯储量为761.58 Mm3，其中，可采煤层瓦斯储量为490.55 Mm3，不可采煤层瓦斯储量为171.69 Mm3，围岩瓦斯储量为99.34 Mm3。

结合矿井现有生产的实际情况，矿井瓦斯抽采率取K=50%，则矿井瓦斯可抽量为380.79 Mm3。

（1）开采层瓦斯抽采量：合计10.96 m3/min，其中回采工作面预抽量为6.64 m3/min，回采工作面边采边抽量为3.32 m3/min，掘进面抽采量（取最大值）为1.00 m3/min。

（2）邻近层抽采量为15.74 m3/min，其中上邻近层抽采量为7.26 m3/min，下邻近层抽采量为8.48m3/min。

（3）采空区瓦斯抽采量为8.68 m3/min，其中现采空区抽采量为5.86 m3/min，老采空区抽采量为2.82 m3/min。

如上所述，矿井开采6#煤层时，瓦斯抽采总量为：10.96+15.74+8.68=35.38 m3/min。

3.2 瓦斯抽采效果

地面瓦斯泵站安装4台2BEC-80型抽放泵，电机功率630 kW，使用Φ720 mm主管路；低负压泵

低负压分源抽采，高负压泵最大抽气量710m³/min，电机功率1120 kW，使用Φ864 mm主管路。目前，高负压抽采混合量为267m³/min，管道浓度9.8%，纯瓦斯量26 m³/min；低负压抽采混合量为250 m³/min，管道浓度2.4%，纯瓦斯量5m³/min，矿井瓦斯抽采量为31m³/min，矿井抽采率为65.6%。

4 结语

（1）6#煤层瓦斯抽采，在回采工作面回风顺槽布置单侧顺层平行工作面钻孔进行本煤层预抽，边采边抽。

（2）邻近层瓦斯抽采，在6#煤层回采工作面运输巷和回风巷中每隔15 m迎着工作面推进方向向下方施工1组与下邻近层斜交的穿层钻孔抽采下邻近层瓦斯。

（3）采空区抽采，现采空区采用迈步埋管抽采瓦斯，老采空区采用全封闭插管抽采瓦斯。

（4）掘进工作面瓦斯抽采，掘进工作面两侧布置迈步钻场顺层钻孔及迎头顺层钻孔抽采掘进面瓦斯。

（5）开采6#煤层时，矿井瓦斯抽采量为31m³/min，矿井抽采率为65.6%，保证了矿井的安全开采。