厚煤层分层开采工作面瓦斯治理技术探讨

李会云

（晋能控股煤业集团亿欣煤业，山西 晋城 048006）

综采工作面瓦斯治理是高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井瓦斯治理的重点和难点。针对工作面回采期间的瓦斯治理，普遍采用顶板钻孔、采空区埋管等方法[1-2]。但传统的瓦斯治理方法，对于采用分层开采的矿井来讲是否适用，相关的文献记载尚不明确[3-5]。山西省晋城矿区、阳泉矿区、西山矿井等多个产煤区域均存在分层开采的高瓦斯矿井或煤与瓦斯突出矿井，针对分层开采而言，采用何种瓦斯治理方法最为有效，能否有效解决不同分层开采时的瓦斯涌出问题，进而避免瓦斯超限事故发生，是亟需解决的一个问题。

本文以岳城矿综采工作面开采为实例，针对不同分层瓦斯涌出的差异，采用综合瓦斯治理技术。实践表明，瓦斯治理效果良好。也可为有其他类似矿井提供经验借鉴。

1 工程概况

岳城煤矿为高瓦斯矿井，位于山西沁水盆地南部，井田范围内共有3号、9号和15号三个煤层为可采煤层。目前矿井开采3号煤层，煤层平均厚度6 m，分上下两层开采。上分层综采工作面为“两进一回”多巷布置方式，下分层采用U型通风方式。为保证上分层综采工作面回采期间的采空区瓦斯可控，在回采期间通常采取的技术措施有井上下联合抽采措施，对采空区瓦斯进行集中治理。而采动井抽采，是在地面对井下采空区瓦斯治理采取的主要措施。其方法是利用地面抽采设备通过抽采煤层顶板采空区裂隙带的瓦斯，确保井下采面回风隅角瓦斯不超限。

岳城矿采用走向长壁后退式综合机械化分层开采工艺进行回采。主采的3号煤层结构简单，埋深427～532 m，平均煤厚6.02 m，煤层倾角3°～5°，煤层为Ⅲ类不易自燃煤层，煤尘无爆炸性。依据实测的瓦斯基础参数，3号煤层原始瓦斯含量为14.45 m3/t，煤层透气性系数为29.25 m/MPa2.d，衰减系数为0.0475～0.0704 d-1。工作面由于开采上分层时，煤层和围岩受采动的影响，煤层和围岩裂隙中赋存的瓦斯应力状态改变，会释放大量瓦斯到采掘空间中，会给上分层开采时的瓦斯治理带来巨大压力[6-8]。上分层开采时，下分层应力释放后会释放大量的游离瓦斯，是造成上分层工作面及巷道内瓦斯大量涌出的主要原因[9-10]。因此，上分层开采期间的瓦斯治理是综采工作面瓦斯治理的重点和难点。

2 上分层瓦斯治理

2.1 工作面基本情况

1308（上）分层工作面走向长度870 m，倾斜长度116 m。工作面采用的分层开采方法是先回采上部分层，待上部分层回采完毕并封闭采空区后再回采下部分层，上分层通风方式见图1。由于开采上部分层会造成原始煤岩体应力失稳破坏，除工作面上部瓦斯涌出外，下部分层瓦斯是工作面瓦斯涌出的主要来源之一。为有效保障上部分层安全生产，采用本煤层顺层钻孔预抽工作面煤层瓦斯后，在工作面回采前将地面采动井施工到位。该（上、下）分层工作面开采的实际情况见表1、表2。

图1 工作面通风系统

表1 1308（上）分层工作面基本情况

为有效管控上、下分层及周边围岩裂隙中的瓦斯涌出，主要采取超前施工地面钻井、顶板走向长钻孔、采空区埋管等技术措施。地面钻井在工作面回采之前已按计划施工到位，以抽采采动区裂隙带的瓦斯。顶板走向长钻孔在工作面回风侧施工，钻孔施工至顶板上方一定层位，辅助进行采空区瓦斯治理。采空区埋管以抽采回风隅角局部区域的瓦斯，防治在回风隅角成涡流状态积聚的瓦斯。

2.2 瓦斯治理技术

（1）顺层钻孔抽采

1308（上）分层采面共布置顺层钻孔181个，其中进风巷75个，回风巷106个，总进尺9 075.2 m。2018年12月～2019年10月期间，累计预抽采瓦斯62.9万m3，工作面抽采率27.47%，工作面顺层钻孔抽采量约1.6 m3/min。

（2）采动井抽采

考虑到地面钻井施工成本和抽采采动区瓦斯效果的不确定性，在工作面回采区域施工了一口地面采动井，采动井布置在工作面回风巷一侧，距回风巷50 m，距工作面切眼500 m（见图1）。采动井随着工作面回采的进行，煤层顶板上方的裂隙逐渐形成，开采空间的瓦斯在升浮特性的作用下，从形成的裂隙间渗流，到达顶板上方的区域富集。采动井利用地面设置的抽采泵站抽采负压的作用，井下的瓦斯抽送至地面，排除瓦斯向采掘空间扩散的风险。钻井为三次开井（见图3），一开用Φ425 mm钻头钻过风化带岩层至基岩以下10 m位置，一开结束后下入D377 mm的J55或N80套管，套管下入后注水泥固井；二开用Φ311.15 mm的钻头，钻至煤层顶板以上30 m位置，二开结束后下入D244.5 mm的N80套管，套管下入后注水泥固井；三开用Φ191 mm钻头钻至煤层顶板10 m位置，三开不固井。三开结束后下入D168.3 mm的N80筛管至煤层顶板10 m位置，并将该段筛管放置于三开底端，上端用挂靠装置贴近套管以用来保持垂直，以此来保证井身结构的坚固性，免受煤层采过后地层塌陷的压挤。

图2 采动井井身结构

（3）回风隅角埋管抽排

回风巷尾部联络巷处封闭时，在闭墙上插入两趟DN355非金属抽采瓦斯管路，同时在回采工作面前方联络巷中再敷设一趟D400负压风筒（埋入到回采工作面回风隅角中），两趟管路同时进行回采工作面采空区抽采瓦斯，避免回采工作面回风隅角因风流不畅（或微风）引起的瓦斯超限。随着回采工作面的推进，埋管（负压风筒）逐渐向回采工作面推进方向移动，当回采工作面推过前部联络巷后，在下一个联络巷处进行以上操作，如此循环来达到回采工作面回风隅角采空区抽采瓦斯的目的，管路布置见图3。

图3 上隅角抽排

3 下分层瓦斯治理技术

在回风顺槽安装一趟Φ377管路，由采空区系统带抽，延伸时每安装2根（12 m）Φ377管路，安装一根管路短件，短件上有Φ108集气口，集气口朝上，集气口安装Φ108筛立管，筛管与集气口之间安装DN100阀门。工作面回采过程中，提前支设木垛对抽放短件进行保护，防治顶板垮落将筛管破坏造成无法正常抽采。当回风隅角切顶线与筛孔立管平齐时，打开DN100阀门进行抽采。

图4 上隅角埋管抽采管路布置

为达到回风隅角埋管抽采效果，采用尺寸为1 m×0.8 m×1.5 m的气囊对回风隅角三角区进行临时封闭，气囊可快速充气快速回收，可有效提高回风隅角埋管负压的影响范围。

4 瓦斯治理效果

4.1 上分层

通过采动井、顶板走向长钻孔及回风隅角埋管抽采三种瓦斯治理技术，对工作面采动期间的不同区域的瓦斯拦截抽采效果进行监测，得出的瓦斯抽采变化曲线见图5。

1308（上）分层采面回采期间，回风巷瓦斯浓度保持在0.35%～0.4%之间的稳定范围，计算可得出风排瓦斯量约4.3 m3/min。由图5可知，工作面采动期间瓦斯抽采量基本保持在3.5～5.5 m3/min。按平均抽采量4.5 m3/min计算，地面采动井的抽采率可达到50%以上； 而回风隅角是工作面回采期间瓦斯治理的重点，从图5中可以看出，回风隅角瓦斯浓度在采动井抽采期间，一直处于逐步下降的变化趋势，瓦斯浓度保持在0.25%左右，远低于矿内控瓦斯报警指标0.8%，可以实现瓦斯浓度不超限。

图5 采动井瓦斯抽采变化曲线

4.2 下分层

下分层开采时，上分层已经回采完毕，为保证工作面顺利安全回采，除采用回风隅角埋管措施外，上分层已经封闭的老空区密闭墙设置抽采管路，与矿井的高负压抽采管路系统相连接，对上分层老空区进行抽采。

由于下分层上部的煤层已经开采完毕，与上分层开采相比，下分层开采期间采掘活动空间涌出的瓦斯极少。由于煤层围岩及煤层内大部分瓦斯已在开采上部煤层时已经卸压运移，下部分层开采瓦斯量不大。

5 结语

针对厚煤层分层开采的煤层瓦斯涌出的差异性，应针对性采用不同的瓦斯治理技术。上分层开采，由于瓦斯涌出量大，拟采用地面采动井、顶板走向长钻孔及回风隅角抽排的综合瓦斯治理技术。下分层开采时，针对瓦斯涌出量小的特点，拟采用回风隅角埋管的瓦斯治理技术。采用“一面一策”的科学瓦斯综合治理措施后，工作面回风隅角瓦斯浓度基本保持在0.5%以下，有效解决了瓦斯超限问题，确保了工作面的安全生产。也可为其他类似矿井提供经验借鉴。