乌东矿北采区B3-6 煤层瓦斯抽采可行性研究

单大阔

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

0 引 言

矿井瓦斯是煤矿五大灾害之一，瓦斯涌出问题严重制约着大部分煤矿的安全高效生产。瓦斯抽采是治理矿井瓦斯最直接有效的方法，《煤矿安全规程》之中也对矿井是否需要建设瓦斯抽采系统进行了明确规定，但由于煤层性质及赋存条件各不相同，煤层瓦斯抽采是否具有可行性和必要性也需要针对矿井条件特定分析[1]。

1 矿井概况

乌东矿隶属与国家能源集团，位于乌鲁木齐东北部，行政区划隶属乌鲁木齐市米东区。矿井共布置3 个采区，矿井主要开采B1-2、B3-6 煤层，设计生产能力6.0 Mt/a[2]。B3-6 煤层倾角为42°～59°，总厚27.88 m，有益厚度19.43 m，煤层结构复杂，属急倾斜巨厚煤层。B3-6 煤层采用水平分段开采方式，全部垮落法管理顶板，阶段高度20 m，工作面采用“U”型通风系统，每一分层进、回风顺槽均沿煤层顶底板平行布置。

2 煤层瓦斯参数分析

2.1 煤层瓦斯含量

按照井下直接测定煤层瓦斯含量的技术要求，在乌东矿北采区+400 m 轨道石门距煤层底板10 m处施工煤层测压钻孔时取煤样，根据井下及实验室对煤样解吸的测定结果，可得到乌东矿B3-6 煤层准确的瓦斯含量数据，见表1[3]。

表1 瓦斯含量测定结果

2.2 煤层钻孔自然瓦斯涌出量及其衰减系数

衡量煤层瓦斯预抽难易程度的重要指标之一是钻孔自然瓦斯涌出量及其衰减系数，乌东矿北采区B3-6 煤层测定地点选择在+575 m B3-6 南巷，首先在+575 m B3-6 南巷140、160 m 处各施工1 个钻孔，由于钻孔自然瓦斯涌出量随着时间的延续是逐渐减小的，钻孔封孔完毕后不进行密封，并采用多级流量计观测自然瓦斯涌出量的变化情况[4]。数据观测结束后，利用最小二乘法将测得的数据回归计算，乌东矿北采区B3-6 煤层钻孔自然瓦斯涌出量衰减系数和百米煤层钻孔初始瓦斯涌出量见表2。

表2 钻孔自然瓦斯涌出量衰减系数及百米煤孔极限瓦斯涌出量

2.3 煤层透气性系数

衡量煤层瓦斯预抽难易程度的另一项重要指标是煤层透气性系数，煤层透气性系数可利用测得的煤层瓦斯径向不稳定流量来计算[5]。当煤层测压钻孔压力值稳定后，取下压力表，在第二天同一时间测定钻孔瓦斯流量即可计算煤层透气性系数，各钻孔测定结果见表3、表4 所示。

表3 煤层透气性系数数据测定结果

表4 煤层透气性系数计算表

3 矿井瓦斯涌出量预测

3.1 瓦斯涌出量预测方法及预测基本条件

瓦斯涌出量预测是矿井瓦斯防治工作中的重要内容，根据乌东矿开采现状、煤层赋存条件及瓦斯涌出的源汇关系按照《矿井瓦斯涌出量预测方法》对乌东矿北采区B3-6 煤层回采工作面和掘进工作面的瓦斯涌出量进行预测，

B3-6 煤层工作面日产量约为5 500 t，回采率为93 %，阶段开采平均高度为20 m，煤层受采动影响的瓦斯排放率为45 %[6]，煤的视密度为1.54 t/m3；掘进工作面顺槽掘进速度约为350 m/ mon，掘进巷道断面积12.8 m2，巷道断面周长10 m。

3.2 北采区+400m 水平B3-6 煤层瓦斯涌出量预测

乌东矿北采区B3-6 煤层工作面瓦斯涌出主要来源为本煤层、邻近层及下阶段B3-6 煤层煤体瓦斯。工作面瓦斯涌出量与其产量关系密切，随着采煤工作面产量的增加，其绝对瓦斯涌出量也成比例增加；掘进工作面的掘进速度越快，则掘进工作面的瓦斯涌出量也越大。B3-6 煤层工作面瓦斯涌出量预测结果见表5。

4 北采区瓦斯抽采可行性论证

4.1 瓦斯抽采的必要性

4.1.1 从瓦斯涌出量预测结果分析瓦斯抽采的必要性

当矿井内单一采煤工作面和单一掘进工作面绝对瓦斯涌出量分别大于5 m3/min 和3 m3/min，且采用通风方法解决不合理时，矿方必须按照规定建立地面永久瓦斯抽采系统或井下临时抽采系统。

表5 +400m 水平B3-6 煤层采煤、掘进工作面瓦斯涌出量预测结果

乌东矿北采区+400 m 水平开采B3-6 煤层达产后，工作面日产量可达5 500 t，此时回采工作面相对瓦斯涌出量为6.96 m3/t，绝对瓦斯瓦斯涌出量可达26.58 m3/min，远大于5 m3/min；综掘工作面月进尺350 m/mon 时，其绝对瓦斯涌出量3.05 m3/min，大于3 m3/min。此外，随着采深的增加，沿煤层倾向上瓦斯含量也逐渐增大，矿井瓦斯涌出量随着老采空区的增多将会有较大的增幅，无法单靠通风方法解决工作面回风流和上隅角瓦斯问题。因此，从保证安全角度分析，对乌东矿北采区对B3-6 煤层进行瓦斯抽采是必要的。

4.1.2 从矿井通风能力分析瓦斯抽采的必要性

当B3-6 煤层采掘工作面通风能力所能解决的瓦斯涌出量小于工作面瓦斯涌量时，应当进行瓦斯抽采，是否需要进行瓦斯抽采常以式（1）判断[7]：

式中：ν为工作面允许的最大风速，4 m/s；S为工作面最小通风断面，5 m2；c为允许风流中的瓦斯浓度，0.8 %；k为瓦斯涌出不均衡系数，取1.5。计算可得qy=6.4 m3/min。达产时期，B3-6 煤层工作面瓦斯涌出量可达26.58 m3/min，矿井通风能力明显不能提供足够的风量稀释涌出的瓦斯，且B3-6 工作面采用综采放顶煤开采工艺，在回采期间，高速的风流会吹起大部分煤层，严重威胁作业人员的健康和工作面的安全。因此，从通风能力看乌东矿北采区已具备建立抽采瓦斯系统的必要条件。

4.1.3 从资源和环保的角度分析瓦斯抽采的必要性

瓦斯主要成分为CH4，其热值较高，可视为一种优质的能源；但CH4产生的温室效应是CO2的21倍，可破坏地球大气的臭氧层，污染大气环境，是主要的温室气体之一，对矿井瓦斯加以利用，可带来显著的经济和社会效益[8]。根据矿井相关资料，乌东矿瓦斯资源比较丰富，仅北采区+400 m 水平B3-6 煤层瓦斯储量就达到462.5 Mm3，具有开发利用瓦斯的条件。因此，从资源和环保角度进行分析，乌东矿北采区有必要对北采区B3-6 煤层进行瓦斯抽采工作。

4.2 瓦斯抽采的可行性

4.2.1 本煤层瓦斯抽采的可行性

本煤层瓦斯抽采（采前预抽）是否可行主要依据煤层的透气性系数与钻孔瓦斯流量衰减系数进行综合判断，利用这两个指标可将预抽瓦斯的难易程度分为三类，划分方法及乌东矿本煤层瓦斯抽采难易程度划分结果如表6、表7 所示。

表6 煤层预抽瓦斯难易程度分类

表7 乌东矿本煤层瓦斯抽采难易程度评价结果

根据划分结果可以看出，乌东矿北采区B3-6 煤层可以进行本煤层瓦斯抽采工作。采用分阶段开采时，开采阶段下部煤层由于卸压而产生大量裂隙，可在深部水平施工预抽巷（回采时期可作为工作面顺槽），为强化抽采效果，可在预抽巷内采用顺层钻孔预抽泄压煤体瓦斯，保证下阶段煤体回采期间瓦斯涌出量不超限[9]。

4.2.2 采空区瓦斯抽采的可行性

在乌东矿北采区B3-6 煤层工作面回采期间，下阶段煤体和围岩受采动影响卸压，向采空区释放大量瓦斯。此外，采用综放开采工艺会导致采空区遗煤较多，煤体破碎后也会释放瓦斯，会造成工作面回风隅角瓦斯超限[10]。

考虑到采空区遗煤氧化发热自然发火倾向性，若强化抽采B3-6 煤层工作面采空区，会改变采空区气体流场，造成采空区氧化带内遗煤供氧量增加，不利于防止采空区自然发火。为防止采空区煤炭自然发火同时减少采空区瓦斯涌出，在抽采采空区瓦斯期间应不断调整采空区瓦斯抽采量及抽采区域。煤层经预抽后，工作面上隅角也可能出现瓦斯超限现象，应采用2 种以上瓦斯抽采方法综合治理煤层瓦斯，根据类似矿井经验，可配合采用上隅角插管法治理采空区浅部瓦斯。因此，乌东矿适量抽采采空区瓦斯是可行的。

5 结 语

通过对乌东矿北采区+400 m B3-6 煤层瓦斯基础参数的测定和瓦斯涌出量的预测，从瓦斯抽采相关技术指标、保障安全及资源和环保的角度进行分析，乌东矿有必要对北采区B3-6 煤层进行瓦斯抽采；乌东矿对B3-6 煤层采前预抽、卸压抽采或采用上隅角插管抽采采空区瓦斯是可行的，这对保证矿井安全高效生产意义重大。