上覆采空区瓦斯抽放技术在煤层群开采中的应用

刘洪鹏

（大同煤矿集团公司通风处，山西 大同 037003）

近距离煤层群分层开采矿井在回采初期采空区顶板塌落后，与上覆层采空区形成连通关系，在负压风流的作用下采空区内积存的有害气体会迅速下泄进入现采工作面，导致上隅角、工作面出现瓦斯超限问题，存在极大安全隐患。在工作面回采期间通常采用均压通风系统治理工作面瓦斯涌出，但由于均压通风存在易造成采空区自然发火、均压系统稳定性差等诸多安全隐患，因此需要研究探索既可以代替均压通风又可以防止工作面瓦斯超限的瓦斯治理技术。

1 8723工作面概况

四台矿为高瓦斯矿井，矿井目前开采侏罗系12#、14#煤层。开采14#层时上覆11#层、12#层采空区与12#层层间距为5.2～11m，平均层间距8.03m，与上覆11#层间距为16.3～21.3m，平均层间距18.8m，由于11#层、12#层层间距较小，属近距离煤层群分层开采矿井，因此在14#层各工作面回采期间均受上覆11#层、12#层采空区影响较大。该矿8723工作面所在煤层为14-2#煤层，煤层为北西高南东低的单斜构造，煤厚1.7～2.4m，平均煤厚2.1m，平均倾角2°，与上覆本矿12#层层间距为5.2～11m，平均层间距8.03m，与上覆11#层间距为16.3～21.3m，平均层间距18.8m。根据相邻已采面8721工作面生产情况分析，在回采初期后古塘顶板塌落后，与上覆11#层、12#层采空区形成连通关系，在负压风流的作用下采空区内积存的有害气体会迅速下泄进入工作面，导致上隅角出现瓦斯超限现象，瓦斯浓度最高达到1.6%，因此通常采用均压通风进行工作面回采期间瓦斯治理。

2 上覆层已采空区瓦斯抽放技术

结合四台矿矿井瓦斯地质规律与盘区实际情况，探索适应四台矿矿井特点的瓦斯治理模式，分盘区、分工作面制定具有针对性的区域瓦斯治理技术。以14#层8723工作面为例，为解决14#层8723工作面瓦斯问题，经认真研究、探索创新、方案推敲、效果分析，最终确定以采前预抽上覆12#层采空区瓦斯、回采期间边采边抽和合理调配工作面风量的综合治理措施进行8723工作面瓦斯治理。

2.1 配套瓦斯抽放泵站

利用新建的井下307盘区瓦斯抽采泵站，泵站位于12#层2725轨回联巷之间，抽采系统于2017年12月1日正式投入运行，抽采泵型号为ZYB-200/250型水环真空泵，额定流量200m3/min，电机功率250kW。硐室内共安设2台瓦斯抽放泵，一台运行，一台备用。

2.2 瓦斯抽放方式

由307盘区回风巷向14#层8723工作面上覆的12#层8723采空区施工三组钻孔（每组4个钻孔），进行14#层8723工作面上覆采空区瓦斯抽放，做到“应抽尽抽”，防治上覆采空区瓦斯下泄。如图1所示。

图1 307盘区抽采系统图及钻孔布置图

2.3 瓦斯抽放治理取得的效果

（1）通过14#层8723工作面回采前对该面上覆12#层8723采空区连续5个月的瓦斯抽放，该面上覆12#层8723采空区瓦斯由10.5%降低至4.5%，对采空区气体取样化验结果和现场人工观测数据都显示采空区内瓦斯浓度呈明显下降趋势。307盘区绝对瓦斯涌出量7.39m3/min，307瓦斯抽放浓度6.55%，瓦斯抽放泵量107.84m3/min，抽放负压11kPa，抽采率达到52%。12#层8723面采空区瓦斯抽采从2017年12月1日正式开始，截至2018年7月已经累计抽放混合气体2705.46万m3，纯瓦斯量169.62万m3。12#层8723采空区瓦斯抽采量统计详见表1。

（2）在14#层8723工作面回采过程中继续对12#层8723采空区进行抽放，保证了14#层8723工作面在不采取升压措施的情况下工作面仍可以正常生产，期间上隅角瓦斯浓度稳定在0.3%左右，相比上个工作面14#层8721上隅角瓦斯浓度0.7%，瓦斯浓度明显下降。

表1 12#层8723采空区瓦斯抽采量统计表

（3）气体整体变化趋势分析：① 采空区内瓦斯浓度呈现整体下降的趋势，原因是经过长时间抽采，采空区内瓦斯浓度下降；② 采空区内氧气浓度整体呈升高趋势，原因是由14#层8723工作面进风顺槽进入的新鲜风流通过工作面经后古塘进入12#采空区，停采后保持低位平衡；③ 一氧化碳浓度无明显变化，一直维持在24ppm以下。14#层8723工作面初采期间上隅角各项气体统计详见表2。

3 存在的问题及解决办法

由于回采煤层与上覆采空区存在连通关系，进行上覆采空区瓦斯抽采期间易增加采空区含氧量，造成采空区遗煤氧化引发自然发火，存在较大的安全隐患。因此进行上覆采空区抽采期间必须加强对抽采量的控制，密切关注抽采参数观测，使抽采负压与矿井负压达到一个平衡点，以减少抽采过程中上覆采空区的含氧量。在上覆采空区瓦斯抽采过程中发现，2018年4月15日夜班开始1#抽采钻孔氧气浓度出现异常，氧气浓度出现增加趋势，由值6%增加到了最大13%。经分析得出，8723面推进70m后采空区顶板已与12#层采空区导通，推断气体来源有三处：① 上覆12#采空区内的气体，氧气较低；② 由14#层8723工作面进风顺槽进入的新鲜风流通过工作面经后古塘进入12#层采空区；③ 由地面地表裂隙导入的空气。

表2 14#层8723工作面初采期间上隅角各项气体统计表

为保证对12#层8723采空区的安全抽放，对原抽放方法进行调整。减小氧气最高的1#钻孔流量，降低主管路抽采负压及流量，增加抽放时气体观测次数，根据抽采钻孔混合气体中的甲烷、一氧化碳、氧气变化及分析化验结果情况再进行进一步调整，如氧气浓度大于12%则停泵，氧气浓度降到6%以下则再开泵。开泵时间、12#层8723采空区氧气、14#层8723工作面上隅角瓦斯浓度变化对比曲线图如图2所示。

图2 开泵时间、12#层8723采空区氧气、14#层8723工作面上隅角瓦斯浓度变化对比曲线图

4 结语

大同煤矿集团公司四台矿14#层8723工作面在不采用均压通风的前提下，实施上覆采空区抽放等综合瓦斯治理技术，很好地控制了工作面和上隅角瓦斯浓度，成功地将工作面安全顺利回采，为近距离煤层群分层开采矿井科学合理地进行瓦斯治理提供了经验借鉴。