下峪口煤矿瓦斯治理方案设计及优化

姬 东，张 博，贾卫东，孙 鹏

(陕西陕煤韩城矿业有限公司下峪口煤矿，陕西 渭南 715405)

0 引言

下峪口煤矿位于韩城矿区的东北端，北与桑树坪井田相邻，东以11号煤层露头线构成自然边界，南至燎原井田下部，西部以3号煤层底板等高线+140 m垂切。走向长6 km，倾斜5 km，面积27.596 3 km2。矿井设计生产能力1.50 Mt/a。井田主要含煤地层为石炭系的太原组和二叠系的山西组，上石炭统太原组自上而下5号、6号、7号、8号、9号、11号、12号煤层，其中1号煤层为该组主要可采煤层，平均厚2.80 m，其余煤层皆属不可采的薄煤层。下二叠统山西组自上而下为1号上、1号、2号上、2号、3号、3号下；3号煤层为主采煤层，3号下为小范围可采煤层，2号为局部不可采煤层，其他煤层均不可采。2号煤层粉砂岩、砂质泥岩直接顶初次垮落步距8～10 m、老顶来压步距21～33 m，3号煤层粉砂岩、砂质泥岩直接顶初次垮落步距6～9 m、老顶来压步距18.5～20.5 m。

矿井采用平硐-暗斜井-立井多水平联合开拓方式，目前主要生产水平为+300 m水平。采用联合布置开采，+300 m水平布置3条大巷至2-1采区北部边界，二水平开采2号、3号煤层；11号煤层因底板奥灰水害未开采。矿井系高瓦斯、突出矿井。矿井通风方法为混合式，通风方法为抽出式，实现分区式独立通风，矿井总排风量14 520 m3/min。2号、3号煤层均属不易自燃煤层。2号、3号煤层均有煤尘爆炸性。2号煤层与3号煤层间距7.6～13.2 m。矿井二水平主采2号、3号煤层，采用倾斜长壁采煤法，综合机械化开采；全部垮落法管理顶板。2017年矿井绝对瓦斯涌出量53.2 m3/min，相对瓦斯涌出量29.39 m3/t。

根据韩城矿业公司总体部署，下峪口煤矿决心通过3～5 a的采掘部署调整，采取技术、人员、管理、装备、工程、培训、资金保障多措并举的办法，形成矿井瓦斯灾害治理能力与生产能力相匹配、采掘部署合理，“抽、掘、采”相协调的安全生产局面，杜绝瓦斯事故，消除突出伤人事故，实现瓦斯零超限以及矿区的长治久安。

1 工程背景

1.1 瓦斯治理现状

下峪口煤矿坚持以开采2号煤层作为3号煤层上保护层为主的瓦斯治理措施；针对2号煤层近水平薄-极薄一般地应力主导型突出危险的特点，采用顺层钻孔预抽煤巷条带、回采区域煤层瓦斯作为区域防突措施。2号煤层回采过程中采用沿空留巷无煤柱回采，“Y”型通风系统；瓦斯治理采用顺层钻孔边采边抽、施工下向穿层钻孔抽采3号煤层卸压瓦斯、高位钻孔和沿空留巷埋管采空区抽采等综合瓦斯治理措施[1-5]。3号煤层采用上保护层2号煤层开采结合下向穿层钻孔强化卸压瓦斯抽采作为区域防突措施；3号煤层工作面采用“U”型通风系统，回采前采用顺层钻孔抽采回采区域煤层瓦斯实现回采区域瓦斯预抽效果达标，回采过程中采用顺层钻孔边采边抽、高位钻孔和上隅角埋管采空区抽采等综合瓦斯治理措施。2012年至今矿井未发生瓦斯灾害导致的伤人事故，基本可以保证矿井安全生产。但随着矿井逐步进入深部开采，瓦斯灾害日趋严重，矿井面临新的瓦斯灾害治理问题。

1.2 存在的问题

矿井升级改造时2号煤层为非突出煤层，采掘部署未考虑2号煤层突出防治的需求，2012年矿井2号煤层升级为突出煤层后，导致矿井无法适应瓦斯灾害治理的总体需求，2号煤层瓦斯治理的时间与空间不足。矿井近年虽经过多次调整，但采掘部署仍无法满足矿井瓦斯治理的需求，同时导致生产系统复杂，使得矿井的采掘接替紧张。保护层2号煤层回采速度一般50～70 m/月，被保护层3号煤层回采速度80～100 m/月，保护层开采速度无法与被保护层开采速度相匹配，制约了3号煤层开采，加剧矿井采掘接替紧张的局面。

矿井目前生产主要集中在北部区域，生产过于集中，不利于矿井瓦斯灾害治理工作开展。矿井深部水平开采通风路线长，网络系统复杂，通风阻力大，需对矿井通风系统进行优化。新版《煤矿安全规程》实施后，2号煤层现在开采深度约600 m，煤层平均坚固性系数约0.3，采用顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯与《煤矿安全规程》第210条“不得将在本巷道施工顺煤层钻孔预抽煤巷条带瓦斯作为区域防突措施”的规定不相符。矿井虽然建立了地面永久瓦斯抽采系统，基本可满足矿井瓦斯抽采的需求，但目前尚未实现高、低负压分抽，同时矿井进入深部开采，煤层瓦斯含量增加，矿井瓦斯涌出亦增大，需要进一步提升矿井瓦斯抽采能力[6-9]。

2 瓦斯治理方案

2.1 巷道布置

下峪口煤矿二水平设计2号、3号煤层联合开采。由于3号煤层属中厚严重突出煤层，水平大巷布置在3号煤层底板砂岩层，采区主要运输、通风大巷布置在2号煤层内。矿井二水平2号煤层2-1采区运输巷掘进发生动力现象后，鉴于2号煤层瓦斯地质的复杂性，作为保护层开采的2号煤层必须采取先区域、后局部的防突措施。上保护层2号煤层采用炮掘、综采，被保护3号煤层工作面布置在保护范围或采用强化预抽，局部未保护区煤柱消除突出危险后采取炮掘、综采放顶煤开采[10-12]。经综合对比，下峪口煤矿瓦斯治理方案优化将2号煤层上保护层工作面采用顺层长钻孔递进掩护煤巷掘进。目前2号煤层平行钻孔施工深度80 m，基于此在工作面中部布置一条中巷，倾斜条带宽度125 m。3号煤层回采巷道布置在2号煤层保护范围内，保护层工作面采用沿空留巷，工作面采用两进一回“Y”型通风系统，如图1所示。

图1 巷道布置示意Fig.1 Schematic diagram of roadway layout

利用已有的准备及回采巷道，掩护一条顺槽掘进，掘进期间在该顺槽内施工长钻孔预抽2号煤层工作面中巷煤巷条带煤层瓦斯，预抽达标后，掘进中巷过程中施工顺层长钻孔预抽另一顺槽的煤巷条带煤层瓦斯。采用平行钻孔单排布置，钻孔间距4 m，钻孔直径φ94 mm，孔深77.5 m，顺层钻孔递进掩护煤巷条带布置示意图，如图2所示。

图2 顺层钻孔递进掩护煤巷条带布置示意Fig.2 Strip layout of bedding borehole shield coal roadway

2.2 钻孔布置

2号煤层工作面开采前在进顺施工定向长钻孔，沿2号煤层底板布置，钻孔直径φ113 mm，孔深500 m，孔间距10 m，相邻钻场的钻孔重叠20 m。开采过程中，利用定向长钻孔抽采3号煤层卸压瓦斯，如图3所示。

图3 定向长钻孔布置示意Fig.3 Layout of directional long boreholes

在回风巷采用高位钻孔与沿空留巷埋管相结合的方法抽采采空区瓦斯，预防采煤工作面瓦斯超限，高位钻孔在进顺距切眼15 m处开始施工，组间距15 m，高位钻孔布置示意图如图4所示；沿空留巷墙体顶部每3 m埋设一条φ200 mm无缝钢管抽采采空区瓦斯，如图5所示。

图4 高位钻孔布置示意Fig.4 Layout of high-level borehole

图5 沿空留巷埋管抽采瓦斯布置示意Fig.5 Gas extraction by buried pipe for gob-side entry retaining

2.3 采空区埋管抽采

在保护层工作面两顺超前施工下向穿层钻孔预抽未保护区煤巷条带、回采区域煤层瓦斯。3号煤层回采前采用顺层钻孔抽采回采区域瓦斯，回采过程中利用顺层钻孔边采边抽及采空区埋管抽采采空区瓦斯。在回采工作面采空区埋设抽采管对采空区进行埋管抽采，以防3号煤层回采时工作面后方采空区积聚瓦斯致使隅角瓦斯超限。采空区埋管为每隔20 m向墙内留设一根长为200 mm的钢管，当上隅角瓦斯浓度小于1%时，埋管封闭；当隅角瓦斯浓度大于等于1%时，将埋管并入抽采管路进行抽采。采空区埋管示意图如图6所示。

图6 采空区埋管抽采示意Fig.6 Gas extraction by buried pipe in goaf

在工作面推进过程中，将埋管口保留在工作面的采空区，通过抽采系统对采空区瓦斯进行抽采。当工作面推进至下一个埋管口三通处，埋管口已经埋在采空区内3～5 m时，打开下一个循环的埋管口阀门，直至工作面回采完毕，封闭回采巷道，继续进行采空区的瓦斯抽采至采区全部回采结束，以达到利用埋管不断抽采采空区瓦斯的目的。

3 矿井瓦斯抽采系统扩建

3.1 矿井瓦斯治理需求

下峪口矿井采掘部署调整后为1个3号煤层回采工作面，2个2号煤层回采工作面，预计矿井瓦斯涌出量110 m3/min。按矿井瓦斯抽采率预计50%计算，同时考虑采、掘工作面风排瓦斯量不得超过5 m3/min、3 m3/min的要求，矿井抽采瓦斯量约60 m3/min。平均抽采浓度按15%考虑，矿井需抽采瓦斯混合量能力约1 400 m3/min，显然目前的瓦斯抽采系统难以满足矿井瓦斯治理需求。

3.2 瓦斯抽采系统扩建

考虑到矿井以后2-2、2-4采区各布置1个2号煤层工作面；3号煤层布置1个工作面，2个采区跳采。二者距离较远，因此矿井采用分区建设地面瓦斯抽采泵站。即矿井新建姚家埝回风立井抽采泵站，安装2套2BEC80泵，主要担负北翼瓦斯抽采。改造排矸立井泵站及地面管路，淘汰2BEC60泵，管路直径由DN300 mm改造为DN720 mm，主要担负南翼瓦斯抽采。2座泵站均采用2套管路分别建立高、低负压抽采瓦斯系统，高负压抽采系统担负2号煤层预抽、3号煤层卸压抽采，3号煤层采前抽采及边采边抽，石门揭煤瓦斯抽采；低负压抽采系统担负2号、3号煤层高位钻孔抽采、沿空留巷埋管抽采、采空区埋管抽采。

4 结论

(1)下峪口煤矿按照“以抽定产、以风定产、工程先行、技术突破、装备升级、管理创新、全面提高”瓦斯综合治理思路，建立了适合矿区特点的“一矿一策、一区一策、一面一策”的瓦斯治理方案。

(2)下峪口煤矿深部二水平开采中近距离近水平突出煤层群，主采3号煤层以开采一般突出危险薄煤层2号煤层上保护层进行区域瓦斯治理，2号煤层上保护层工作面施工2号煤层底板定向长钻孔进行卸压瓦斯抽采。

(3)下峪口煤矿上保护2号煤层采掘工作面采取顺层长钻孔递进掩护煤巷掘进区域预抽瓦斯抽采治理模式，实现了矿井“抽、掘、采”协调开采，并初步规划了瓦斯抽采系统的扩建方案。