首采工作面瓦斯涌出规律及综合治理技术研究

郭有为 刘 琳

（山东能源枣矿集团云南斯派尔矿业有限责任公司，云南 曲靖 655000）

云南省富源县恩洪煤田地质构造复杂，分布煤层约30层，其中可采煤层约5～8层，均为薄煤层及中厚煤层。该煤田分布有约100对矿井，为当地提供了大量就业岗位及劳务收入。但是这些矿井在工作面回采过程中，邻近层卸压瓦斯大量涌入回采空间[1]，造成上隅角瓦斯超限严重，严重威胁安全生产[2]，同时也制约了矿井产能的提高。本文以斯派尔煤矿110701工作面瓦斯治理为工程背景，就工作面瓦斯涌出规律及综合治理展开研究，为恩洪煤田瓦斯治理提供实践参考。

1 工作面概述

斯派尔煤矿110701工作面为首采工作面，主要开采C7煤层，设计生产能力为1200t/d。其顶板60m范围内分布4层（C3、C4、C5、C6）不可采薄煤层，底板40m范围内分布2层稳定中厚煤层（C8、C9）和1层（C10）不可采薄煤层，煤层间岩层以中粒砂岩及泥岩复合层为主。

工作面埋深约290m～340m，走向长800m，倾斜长180m，倾角平均6～10°，采用U型上行式通风。工作面顶底板范围内煤层特征情况见表1。

表1 采动影响范围内煤层发育特征及瓦斯含量列表

2 工作面瓦斯涌出量预测分析

依据分源预测法，工作面瓦斯涌出量主要来自本煤层及上下邻近煤层，具体数值可以采用公式（1）、（2）、（3）[3]分别计算。

式中：

q采、q1、q2-回采工作面相对瓦斯涌出量、开采层相对瓦斯涌出量、邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t；

k1、k2、k3-围岩瓦斯涌出系数、丢煤瓦斯涌出系数、准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数；

m、M、mi-开采煤层厚度、工作面采高、第i个邻近层煤层厚度，m；

Wo、Wc-煤层原始瓦斯含量、煤层残存瓦斯含量，m3/t；

i-第i个邻近层瓦斯排放率，%；

Woi、Wci-第i个邻近层煤层原始瓦斯含量、第i个邻近层煤层残存瓦斯含量，m3/t。

将C7煤层及上下邻近煤层相关参数带入上式，得到110701工作面回采过程中瓦斯涌出量预测数值，具体见表2。

表2 110701工作面瓦斯涌出量预测数值

由表2分析可知：

（1）110701工作面按照设计生产能力进行生产时，绝对瓦斯涌出量为15.16m3/min，其中本煤层涌出量为8.04m3/min，占53%，上下邻近层涌出量为7.12m3/min，占47%，两者占比较为接近。

（2）为了有效降低工作面风流瓦斯浓度，保持适宜的工作环境，必须同时对本煤层瓦斯及邻近层卸压瓦斯采取抽采措施，才能有效提高瓦斯抽采率，降低稀释瓦斯风量。

3 工作面瓦斯综合治理技术

3.1 调整通风系统，增大供风量

调整通风系统，使工作面的供风量由800m3/min增加到1100m3/min（此时工作面风速约为3m/s）。风量增大使得工作面的气候条件更为舒适，同时稀释的同浓度瓦斯量增加了约37.5%。

3.2 顺层钻孔预抽本煤层瓦斯

110701工作面倾向长度为180m，考虑到工作面煤层倾角起伏变化，选择在上下巷道中分别布置顺层钻孔，间距为6m，长度为100m，搭接长度为20m。封孔长度为15m，孔口负压不低于23kPa。钻孔布置如图1所示。

图1 顺层钻孔布置图

3.3 密闭上下隅角，遏制采空区漏风

使用棉纺编织袋装碎煤块，在工作面上下隅角处堆叠构筑密闭墙，可以大幅降低采空区漏风，调控采空区风流场，减少采空区瓦斯涌出。

3.4 上隅角埋管，抽采采空区瓦斯

沿工作面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25m设一三通，并安阀门，孔口负压为5kPa。当工作面推进至下一个埋管口三通处，将埋在采空区里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。具体布置如图2所示。

图2 上隅角埋管抽放布置图

3.5 走向高位钻孔抽采裂隙带富集瓦斯

工作面回采过程中上下邻近煤层受采动影响解析出大量卸压瓦斯，在工作面负压及瓦斯飘浮作用下，大量卸压瓦斯及采空区遗煤瓦斯汇集到顶板采动裂隙中形成环绕采空区的瓦斯富集区[4]，其中以上端回风巷侧聚集效应最为显著。

为此工作面推进前，在回风巷施工高位抽放钻场，预先向煤层顶板中施工大直径高位走向长钻孔，抽采上端裂隙区富集瓦斯，可显著降低工作面回采时的瓦斯涌出量。高位钻孔具体设计参数如下。

（1）钻孔层位

高位钻孔有效抽采高度位于裂隙带底端。上端采空区冒落带发育高度：H=(2～6)M[5～6]，110701工作面采高约为2.7m，因此高位走向长钻孔设计层位定位在煤层顶板以上5.4～16.2m处。

（2）钻孔布置

110701 工作面走向长度为800m，高位钻场设计个数为20个，钻场间距约为40m，每个钻场沿回风巷布置，扇形布置方位角相差3～5°、孔径为120mm、孔深约65～75m的钻孔5个，钻孔终口位于回风巷内侧水平投影5～45m处，终孔间距10m，孔口负压为10kPa。

高位钻孔布置如图3、图4所示。

图3 高位钻孔布置平面图

图4 高位钻孔布置剖面图

4 效果考察

110701 工作面回采过程中，对工作面采取了以上的综合瓦斯治理措施，并对效果进行了考察，结果如下：

（1）回采期间工作面供风量为1145m3/min，工作面风速为3.12m/s，回风巷瓦斯浓度为0.45%，风排瓦斯量为5.15m3/min。

（2）本煤层预抽瓦斯浓度为44%，抽采瓦斯纯量为5.83m3/min；高位钻孔抽采瓦斯浓度为18%，抽采瓦斯纯量为2.84m3/min；上隅角埋管抽采瓦斯浓度为2.4%，抽采瓦斯纯量为1.22m3/min。抽采措施共计抽采瓦斯纯量为9.89m3/min。

（3）工作面绝对瓦斯涌出总量为15.04m3/min，抽采率为65.8%，上隅角瓦斯浓度最高为0.76%。工作面瓦斯治理取得显著成效。

5 结论

（1）使用分源预测法，得到斯派尔煤矿110701工作面瓦斯涌出量为15.16m3/min，其中本煤层瓦斯涌出量占53.0%，上下邻近层瓦斯涌出量占47.0%。

（2）通过对工作面瓦斯涌出规律分析，提出通过调整通风系统、加大供风量，顺层平行钻孔预抽开采煤层瓦斯，密闭上下隅角、降低采空区漏风，上隅角埋管抽采采空区瓦斯，走向高位钻孔抽采裂隙带富集瓦斯等措施的综合瓦斯治理技术。

（3）效果考察表明：工作面绝对瓦斯涌出总量为15.04m3/min，抽采率为65.8%，上隅角瓦斯浓度最高为0.76%。工作面瓦斯治理取得显著成效。

（4）使用分源预测法，对工作面瓦斯涌出规律进行研究分析，指导工作面瓦斯治理是科学可靠的。