汾西中兴煤业1207 保护层工作面初采初放瓦斯治理研究

郑 杰 ，张 洋 ，刘子文

（1. 山西汾西中兴煤业有限责任公司，山西 吕梁 033000；2. 山西汾西香源煤业有限责任公司，山西 吕梁 033000；3. 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122；4. 中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）

0 引 言

我国是世界上煤与瓦斯突出最严重的国家，煤与瓦斯突出事故不但造成煤矿企业经济上的重大损失，而且可能造成人员伤亡，在社会上也会造成严重影响[1]。2016 — 2018 年，重庆煤科院先后完成了中兴煤业2 号、4+5 号及02 号煤层的煤与瓦斯突出危险性鉴定工作，经鉴定，中兴煤业2 号、4+5 号、02 号煤层均为突出煤层煤层。为了有效治理瓦斯，保证矿井安全生产。汾西中兴煤业结合矿井实际情况，明确了矿井瓦斯治理模式，即“矿井瓦斯治理模式采用 “保护层+ 底抽巷+ 高抽巷+本煤层顺层钻孔+ 上隅角（沿空留巷） 抽采+ 被保护层长距离拦截钻孔” 的瓦斯治理新模式。同时针对各工作面制定了相应的综合性瓦斯治理措施，实现“一面一策”。

1 矿井及工作面概况

中兴煤业有限责任公司位于山西省交城县岭底乡郭家庄，目前开采02 号、2 号、4+5 号煤层，生产能力3.0 Mt/a，2019 年经中煤科工重庆研究院鉴定为突出矿井，02 号、2 号、4+5 号煤层为突出煤层。1207 保护层工作面地面东距窑底村边界740 m，西距申家疙垛背斜轴部470 m，南距中兴工业广场边界1 930 m，北距光足村边界300 m，地面部分地段为第四纪黄土覆盖，出露地层有二叠系上统上石盒子组、石千峰组及三叠系下统刘家沟组，除农田和部份果树外，无其他建筑物设施。

工作面回采02 号煤，02 号煤位于山西组上部，2 号煤上15 m 左右，煤厚在1.0～1.5 m，平均煤厚1.28 m 左右，属薄煤层，是井田较稳定地段，煤层结构简单，无夹矸，工作面大部分稳定可采，黑色，属中灰、低中硫的瘦煤、焦煤，煤层倾角为2°～ 8°，平均倾角6°。

1207 工作面采用U 型通风方式，运巷进风，材巷回风，通风独立。通风路线为峁上主斜井—东翼轨道巷—1207 保护层运巷—工作面—1207 保护层材巷—一采总回风巷—峁上回风斜井。

2 保护层工作面抽采设计

（1） 瓦斯抽采的必要性。

预计1207 保护层综采工作面的绝对瓦斯涌出量为16 m3/min。根据《煤矿安全规程》 规定，1个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5 m3/min，或1 个掘进工作面瓦斯涌出量大于3 m3/min，用通风方法解决瓦斯问题是不合理的，必须对工作面进行瓦斯抽采，并编制工作面瓦斯抽采专项设计。

（2） 工作面瓦斯来源分析。

1207 保护层综采工作面回采期间瓦斯来源包括本煤层、采空区和邻近层瓦斯涌出。预计该工作面本煤层瓦斯涌出量为4.8 m3/min，约占工作面总涌出量的30%左右；下邻近层瓦斯涌出量为5.6 m3/min，约占总涌出量的35%左右；采空区瓦斯涌出量为5.6 m3/min，约占总涌出量的35%左右。预计该工作面生产时回风浓度0.4%，风排瓦斯量为4.7 m3/min。

2.1 初采高抽巷瓦斯抽采

为提高工作面的瓦斯抽采效果，确保工作面安全生产。从1207 保护层材巷开口，分前后两段施工高抽巷（两段高抽巷必须联通，防止衔接不上）。高抽巷掘进至距工作面10 m （水平距离） 处采取变坡，降低与02 号煤间距，以满足工作面初采时能形成瓦斯排放通道，增加初采初放期间的高抽巷抽采效果，高抽巷最终掘进至距02 号煤顶板2 m位置。高抽巷布置在02 号煤顶板裂隙带内，生产过程中工作面顶板垮落后，采空区瓦斯经过裂隙带涌入高抽巷，最后通过高抽巷、材巷φ325 mm 低负压抽采支管抽出。

（1） 高抽巷布置。高抽巷底板距1207 保护层综采工作面顶板10 m （7 倍采高），与1207 保护层材巷水平距离20 m。

（2） 高抽巷巷道断面布置。巷道设计断面必须满足生产设备安装，巷道围岩性质，施工高抽巷的断面规格为，巷道掘进宽2.5 m，净宽2.3 m，掘进高2.0 m，净高1.8 m，掘进断面5.0 m2，净断面4.14 m2。

（3） 抽采系统。高抽巷掘进完毕后，在高抽巷口施工两道永久密闭墙，两道闭墙中间用黄土充填，其中两道闭墙厚度为1.6 m，黄土充填厚度为1 m，墙垛厚度不小于2.6 m，并埋设2 趟φ325 mm 瓦斯抽采管路，一趟管路埋入第二道密闭墙以里50 m，另一趟管路埋入第二道密闭墙以里2 m。墙四周要掏槽，并使帮、顶接实，墙面要抹平或喷浆，确保不漏风。埋管高度为闭墙三分之二处，与材巷左帮φ325 mm 瓦斯抽采支管路连接，并入一采区低负压抽采系统。

2.2 1207 保护层材巷顺层钻孔瓦斯抽采

1207 保护层综采工作面走向长度1 100 m，倾斜长度85 m。设计在材巷左帮施工本煤层顺层钻孔169 个，钻孔间距6 m，孔深度75 m，倾角沿煤层倾角（1°～9°），方位角270°，钻孔总计进尺12 675 m。使用左帮φ219 mm 抽采管路与一采回风巷高负压抽采系统对接抽采。另在3 月12 日，即左帮φ325 mm 千米钻场抽采支管路铺设形成独立系统运行前，左帮φ219 mm 顺层钻孔抽采支管路还兼做千米钻孔的抽采。

2.3 上隅角埋管瓦斯抽采

为有效治理采空区瓦斯，确保工作面的安全生产，工作面上隅角采用迈步式埋管抽放，将上隅角积聚的瓦斯抽排至一采回风巷。在材巷右帮铺设1趟φ325 mm 瓦斯抽放采管路与一采回风巷低负压φ630 mm 抽采干管路连接，φ325 mm 抽采管路上每隔6 m 安设1 个φ325 mm 等径三通，三通口朝上并在三通上安设蝶阀进行控制。

2.4 1207 材巷拦截钻孔瓦斯抽采

在1207 材巷施工2 号、4+5 号煤拦截钻孔，以拦截1207 保护层综采工作面生产过程中下邻近煤层的卸压瓦斯。

（1） 2 号煤拦截钻孔。在1207 材巷左帮（110～1 120 m） 每隔6 m 施工1 个2 号煤拦截钻孔，孔深150 m，倾角4°～11°，方位角270°，间距6 m，共施工钻孔168 个，总计进尺25 200 m。

（2） 4+5 号煤拦截钻孔。在1207 材巷左帮（56～1 155 m） 每隔6 m 施工1 个4+5 号煤拦截钻孔，孔深170 m，倾角1°～8°，方位角270°，间距6 m， 共施工钻孔184 个， 总计进尺31 280 m。

3 初采期间抽采效果考察

3.1 高抽巷瓦斯抽采效果

自2020 年2 月14 日正式生产起，1207 保护层高抽巷于2020 年3 月1 日完全推过，共计用时17 d。其中，由于此趟抽采管路负压过低的原因（支管约4～5 kPa，末端约2～3 kPa），为提高高抽巷抽采负压，于2 月26 日四点班改造左帮抽采本煤层高负压抽采管路末端与高抽巷抽采管路对通并联抽采，直至3 月31 日高抽巷完全推过后，高抽巷抽采管路改做上隅角抽采管路使用。

在此期间，对高抽巷抽采支管路负压、甲烷浓度及抽采纯量进行了统计。

（1） 支管负压。高、低抽采系统切换运行，支管负压均约3～5 kPa 无明显提高；与左帮φ219 mm 高负压抽采支管对通并联运行后，高抽巷支管路抽采负压虽无明显提高，但高抽巷整体抽采能力有所增强； 另技术人员对高抽巷抽采支管进行了分段负压测试，发现只要不抽采高抽巷支管各段负压均达到14～16 kPa，一旦打开高抽巷抽采支管负压即刻降低至4～5 kPa。

（2） 甲烷浓度。从2 月19 日～ 2 月29 日数据统计来看，高抽巷抽采支管路甲烷浓度一直处于0.2%～0.6%超低浓度。直至2 月26 日该趟抽采管路与左帮φ219 mm 高负压抽采支管对通并联运行后，高抽巷抽采支管路甲烷浓度才提高至2%左右的水平。高抽巷抽采期间，支管路瓦斯浓度变化情况如图1 所示。

图1 高抽巷瓦斯浓度曲线图Fig. 1 Gas concentration curve of high drainage roadway

（3） 抽采纯量。高抽巷抽采支管路抽采量与甲烷浓度变化情况完全一致，2 月26 日之前抽采纯量在0.2 m3/min 左右，2 月26 日之后抽采纯量达到1.0 m3/min 左右。高抽巷抽采期间，支管路抽采纯量变化情况如图2 所示。

图2 高抽巷瓦斯抽采纯量曲线图Fig. 2 Pure gas extraction volume curve of high drainage roadway

通过实践得出3 个结论：①高抽巷卸压抽采对抽采支管路负压卸压作用明显，致使抽采管路末端负压偏低、抽采效果较差；②当抽采能力提升后，高抽巷抽采支管路瓦斯浓度、抽采量都会有明显增加；③高抽巷卸压抽采对负压的影响，从侧面反映出该矿大系统抽采能力不足，无法满足卸压抽采的需求。

3.2 1207 保护层材巷顺层钻孔瓦斯抽采效果

回采期间，1207 保护层材巷左帮φ219 mm 抽采管路甲烷浓度在1%～3%波动，抽采纯量0.2 m3/min 以下。因3 月12 日前该趟抽采支管还兼抽千米钻孔，故3 月13 日之后的数据才可真实反映02 号煤顺层钻孔的相关数据。1207 保护层材巷左帮φ219 mm 抽采管路瓦斯浓度、抽采纯量变化曲线如图3～图4 所示。

图3 φ219 mm抽采管路瓦斯浓度变化曲线图Fig. 3 Changing curve of gas concentration in the φ 219 mm extraction pipeline

图4 φ219 mm抽采管路瓦斯纯量变化曲线图Fig. 4 Changing curve of gas purity in the φ 219 mm extraction pipeline

3.3 上隅角埋管瓦斯抽采效果

据数据统计，上隅角最大瓦斯浓度从2 月底的0.6%左右逐渐攀升，3 月中上旬最大瓦斯浓度持续上升至1.0%以上，且在3 月9 日～ 3 月12 日期间上隅角最大瓦斯浓度甚至超过2%。

通过观测，发现大部分钻孔浓度极低，只有5组3 号和5 组4 号钻孔起初浓度较高，抽采几天后这2 个钻孔浓度很快降低。但在观测过程中，发现1207 材巷拦截钻孔浓度极高，随后便大量开启拦截钻孔进行抽采，并重新制定措施补充施工02 号煤拦截钻孔，开始施工日期为3 月14 日。通过采取以上两项措施，从3 月14 日开始1207 保护层上隅角瓦斯浓度逐步下降，并在3 月22 日之后降至6%以下，效果非常明显。1207 保护层材巷上隅角最大瓦斯浓度变化曲线如图5 所示。

图5 上隅角瓦斯浓度变化曲线图Fig. 5 Changing curve of gas concentration in upper corner

3.4 1207 材巷拦截钻孔瓦斯抽采

1207 材巷施工有2 号、4+5 号煤2 种类型钻孔，均由左帮1 趟φ325 mm 抽采管路连接抽采，与一采回风巷高负压系统对接。经跟踪观测，1207材巷4+5 号煤本煤层钻孔浓度普遍偏低，而穿2 号煤拦截孔浓度较高。通过对2 号煤拦截钻孔的开启调整以及后续补钻措施，1207 材巷抽采管路瓦斯浓度、抽采量明显增加，对解决1207 保护层工作面瓦斯高的问题起到至关重要的作用。1207 材巷左帮φ325 mm 抽采管路瓦斯浓度、抽采纯量变化曲线如图6～图7 所示。

图6 1207 材巷抽采管路瓦斯浓度变化曲线图Fig. 6 Changing curve of gas concentration in 1207 material roadway drainage pipeline

图7 1207 材巷抽采管路抽采纯量变化曲线图Fig. 7 Changing curve of extraction volume of 1207 material roadway extraction pipeline

4 抽采效果分析

1207 保护层综采工作面回采期间瓦斯来源包括本煤层、采空区、裂隙带和邻近层瓦斯涌出，工作面采取各项瓦斯治理措施之间关系：

绝对瓦斯涌出量= 风排量+ 抽采量1207 保护层工作面抽采量=1207 保护层本煤层抽采量+1207 保护层上隅角埋管抽采量+1207 工作面拦截钻孔抽采量（1207 材巷2 号、4+5 号拦截钻孔和1209 运巷4+5 号拦截钻孔抽采量之和）

通过以上3 个公式，可以对1207 保护层工作面瓦斯变化情况进行系统的分析。先假设1207 保护层工作面绝对瓦斯量在某个地质单元或时间区段内为定值，然后再对工作面瓦斯变化情况进行分析。

上隅角瓦斯主要是由于受风流的影响，采空区瓦斯富集至切顶线附近三角区域无法稀释所致。要想解决上隅角瓦斯问题，目前我们主要采取两种措施，即“堵” 和“抽”。

“堵” 的目的主要是防止采空区漏风致使回风隅角处瓦斯富集以及向回风巷道内外渗瓦斯。

“抽” 才是解决上隅角瓦斯问题的主要手段。这里说到的 “抽”，不单单指上隅角埋管抽采，还包括顶板裂隙带抽采和邻近煤层瓦斯抽采。

上隅角埋管主要用于抽采采空区瓦斯，由于受采空区卸压作用的影响对管路抽采系统能力要求较高，因此必须增加上隅角埋管的抽采能力。另外，我们还可以通过其他措施弥补上隅角埋管抽采能力的不足，这就是下面所要阐述的顶板裂隙带抽采和邻近煤层瓦斯抽采。

随着回采工作面的逐步推进，采空区顶板垮落老顶下沉，高浓度瓦斯富集至顶板产生的裂隙之中，而受到采动影响大量邻近煤层瓦斯也会涌入采空区。因此，通过提前施工顶板裂隙带定向钻孔和邻近层拦截钻孔可以有效分流采空区内瓦斯，从而达到治理上隅角瓦斯的目的。

5 结 语

根据数据统计，1207 保护层工作面第一阶段绝对瓦斯涌出量约18 m3/min，风排瓦斯量6 m3/min左右，抽采量12 m3/min 左右。其中，1207 保护层材巷本煤层抽采量0.2 m3/min 左右，1207 保护层两趟上隅角埋管抽采量1～2 m3/min，1207 保护层千米钻孔抽采量3～4 m3/min，1207 工作面拦截钻孔抽采量5～7 m3/min。

通过对1207 保护层工作面各项瓦斯治理措施抽采量占比可知，要想保证该工作面在低瓦斯状态下平稳生产，最有效的瓦斯治理措施就是加强1207 保护层材巷千米钻孔和1207 材巷（大面） 拦截钻孔的抽采。