特厚煤层综放工作面瓦斯抽采技术研究

刘 涛

（山西煤矿安全培训中心山西太原 030012）

0 引言

随着浅部煤炭资源的大量采出，煤矿开采逐渐向深部转移，煤层开采深度的增大同时也给矿井的生产带来了矿压、瓦斯等一系列问题，特别是对于一些煤层厚度较大的矿井，由于煤层开采厚度的增大，其来压强度与来压步距有了一定的改变，来压过程中瓦斯的涌出情况也有了很大的改变[1～3]。为提高在特厚煤层中瓦斯抽采效果，明确瓦斯涌出与工作面来压之间的关系，本文以山西某矿特厚煤层开采地质条件为背景，对工作面瓦斯特征与抽采方案进行了研究，该研究结果可为相邻其他工作面提供一定的实践经验，并且对其他矿区有着一定的借鉴意义。

1 工程概况

山西某矿设计生产能力为15.0 Mt/a，主采煤层为3-5#煤层，煤层倾角较小平均为5°，煤层厚度平均为15.8 m，埋深平均为450 m，工作面采用综合机械化放顶煤开采方式。在综放工作面正常回采的过程中，瓦斯绝对涌出量在15 m3/min～39 m3/min范围内，当工作面发生剧烈来压时，瓦斯涌出量发生明显升高，最大达到67 m3/min。由于工作面开采强度较大，传统的瓦斯抽采措施无法有效的降低工作面来压时的瓦斯涌出量，因此有必要采取新的瓦斯抽采方案。

根据重庆煤科院对煤层瓦斯参数的测量，煤层瓦斯的压力在0.09 MPa～0.24 MPa范围内，瓦斯流量衰减系数为0.57 d-1～0.74 d-1，矿井共布置两个盘区，其中一盘区瓦斯含量为1.78 m3/t，煤层的透气性系数在171.7 m2/(MPa2·d)～428.8 m2/(MPa2·d)范围内，二盘区瓦斯含量为2.64 m3/t，煤层的透气性系数在1.11×10-4m2/(MPa2·d)～1.33×10-4m2/(MPa2·d)，从测定结果可知，两个盘区均属于瓦斯难抽采煤层，煤层透气性较差，瓦斯聚集能力较低，传统的瓦斯抽采方案无法达到预想效果。

为获得综放工作面开采过程中瓦斯含量的变化情况，取二盘区8212和8204工作面作为地质条件背景进行分析。8212工作面开采煤层的厚度平均为11.2 m，工作面推进方向长度共2610 m，倾斜长度为230 m，工作面采煤高度为3.5 m，放煤高度为7.7 m，直接顶岩层主要为泥岩与砂质泥岩，平均厚度为11.4 m，基本顶主要为粉砂岩与细砂岩，平均厚度为23.4 m，工作面通风方式为U型通风。8204工作面推进方向长度为1 020 m，倾斜长度为207 m，开采煤层平均厚度为14.3 m，工作面采高为3.5 m，放煤高度为10.8 m，通风方式与8212工作面相同，为U型通风方法。

2 工作面瓦斯与来压关系分析

在8212工作面回采过程中，对工作面顶板发生来压情况进行统计，同时对发生来压时的瓦斯涌出情况进行统计，从而得到瓦斯涌出量与工作面来压之间的关系，见图1。从图中可以看出，当工作面发生来压时，空气中的瓦斯含量出现明显的上升情况，瓦斯涌出量超过正常含量的50%以上；在工作面采空区上隅角与回风巷道内，瓦斯含量变化幅度较小，瓦斯含量变化较大的区域主要在瓦斯预抽巷内，表明在工作面布置瓦斯预抽巷可以起到较好的瓦斯抽采效果。但工作面发生周期来压时，预抽巷内的瓦斯含量出现急剧增大，最大达到2.58%，可以看出当工作面发生来压时，采空区中的瓦斯大量涌入到工作面中，导致工作面瓦斯含量的突增。

图1 工作面来压与瓦斯含量变化关系图

工作面各种来压现象主要因为覆岩岩层的运动产生，岩层的弯曲、破断规律形成了工作面初次来压、周期来压，根据上文分析可知，工作面顶板岩层的运动规律与来压强度对采空区瓦斯的涌出情况有着决定性的作用。根据国家煤矿顶板分类标准，该工作面直接顶属于第Ⅲ类稳定顶板，基本顶为第Ⅳ类稳定顶板，顶板来压强度均比较大。由于工作面顶板来压步距较大，悬顶长度增大导致煤壁区域承受压力增大，煤壁区破碎程度较高，内部产生许多节理裂隙，形成了瓦斯的运移通道，导致工作面瓦斯涌出量的增大。

3 工作面煤体瓦斯渗流特征分析

工作面煤层的开挖会引起周围岩体应力重新分布，在煤壁前方形成应力集中区，而在采空区后方形成应力降低区[4]。上文研究表明顶板岩层的破断规律对瓦斯涌出规律有着决定性作用，由于该矿井顶板岩层硬度较大，悬顶长度的增大导致煤壁前方应力集中区内承载增大，形成大量裂隙，煤层瓦斯渗透率也有了很大的提升，在此区域内瓦斯出现卸压情况，并且流动性有了很大的提升。对8212工作面推进过程进行数值模拟，得到工作面推进距离与围岩应力分布关系，即工作面前方120 m范围内为应力升高区域，煤壁前方40 m范围应力水平较高，受工作面回采影响较大，煤壁后方采空区18 m范围内应力较低，为应力降低区。

图2 工作面推进距离与围岩应力关系图

综合上述分析结果，煤壁前方煤体依次为应力升高、卸载以及恢复至原岩应力三个区域，而在卸载区域内，煤体内裂隙较多，煤层渗透率会出现明显增大，瓦斯流动性强，在此区域内对瓦斯进行抽采可以提高工作面瓦斯抽采效果，减小工作面来压时瓦斯涌出量。

4 工作面瓦斯抽采方案

4.1 瓦斯抽采方案设计

根据上述研究结果，针对该矿井特厚煤层工作面条件，采用瓦斯高抽巷+地面瓦斯钻井相结合的瓦斯抽采方案。

图3 8212瓦斯抽采示意图

根据现场测试结果，8212工作面采空区内瓦斯分布规律如下：采空区与煤壁距离越大，瓦斯浓度越高；在工作面倾斜方向，回风巷一侧瓦斯浓度大于进风巷一侧；纵向上，水平较高位置瓦斯浓度大于水平较低位置。因此首先采取布置瓦斯高抽巷的方法对煤层瓦斯进行抽采，8212工作面瓦斯高抽巷布置在3-5#煤层上方，与煤层顶板垂直距离为20 m，水平与工作面回风巷为内错关系，内错距离20 m。高抽巷内瓦斯抽采量在750 m3/min～1 500 m3/min范围内，工作面通风方式变更为U+I型通风，巷道布置见图3。该方法可将采空区内的瓦斯流向高抽巷，令采空区上隅角瓦斯涌出量减小，降低了工作面空气中瓦斯浓度，为保证瓦斯抽采效果，在抽采过程中，上隅角的瓦斯含量不得超过0.46%，回风流中瓦斯含量不得超过0.37%。

图4 地面直井抽采示意图

由于工作面开采过后，采空区顶板破断随着工作面推进距离的增大，逐渐呈现O性破断特征，顶板破断形成的裂隙同样呈现O型圈，即在采空区边缘顶板内裂隙发育要多于采空区中部顶板岩层。根据此顶板破断结果，采用地面直井瓦斯抽采方法对采空区瓦斯进行抽采。通过在地面钻井直接接入采空区内，钻井位置沿O型圈布置，通过地面抽采系统的压力，将采空区内的瓦斯聚集到该O型圈范围内，通过岩层中的裂隙等进入到钻井中实现对瓦斯的抽采。对于相邻未采的的8204工作面，地面瓦斯抽采钻井沿工作面走向进行布置，钻孔以切眼前30 m为起点开始布置，钻井间距为50 m，钻井深度根据煤层埋深确定，深度约为450 m，钻井与8204工作面回风巷呈内错关系，内错距离在15 m～40 m范围内，钻井布置如图4所示。当工作面推进至与抽采钻井15m距离时开始对瓦斯进行抽采，瓦斯抽采流量设计为1 270 m3/min，抽采过程中采空区上隅角瓦斯含量应不得超过0.8%范围内，回风流中瓦斯含量应不得超过0.4%范围内。

4.2 抽采效果分析

在工作面瓦斯抽采方案确定后，对20天内上隅角与回风流中瓦斯浓度进行了监测，监测结果见图5。从图中可以看出，上隅角与回风流中瓦斯浓度有了明显的下降，瓦斯浓度在第三天后开始后基本稳定，上隅角瓦斯浓度在0.3%～0.5%范围内，回风流中瓦斯浓度维持在0.2%～0.35%范围内，瓦斯浓度较小，表明采用瓦斯抽采措施后，能够有效的降低工作面中瓦斯含量。

图5 瓦斯浓度变化图

5 结论

本文以山西某矿特厚煤层工作面地质条件为基础，对工作面来压与瓦斯涌出量关系进行了研究，并对瓦斯涌出量突增的机理进行了分析，提出了采用瓦斯高抽巷+地面瓦斯钻井相结合的瓦斯抽采方案，并对瓦斯高抽巷布置方案与地面瓦斯抽采钻井方案进行了确定，从而解决工作面瓦斯含量超限的情况，对矿井安全、高效生产具有重要的意义。