煤矿回采工作面瓦斯治理技术分析

贾雪刚，贾雪强

(河南能源化工集团 永煤公司车集煤矿，河南 永城 476600)

在世界范围内，我国已经探明的煤炭资源储量占世界第一，在煤炭资源使用方面同样居世界首位，是名副其实的煤炭储量和使用量大国[1]。为了满足人们对生活质量要求的不断提升和社会工业的快速发展，我国每年都会开展大量的煤炭资源[2]。由于绝大部分煤炭资源是在井下开采，不仅开采难度大，且开采中会涌出大量瓦斯，对井下人员的身体健康甚至生命安全构成威胁[3]。近年来我国很多煤矿中出现了安全生产事故，引起了社会的高度关注，其中绝大部分都是由于瓦斯治理效果不佳引起的。如何对煤矿中的瓦斯进行治理，是所有煤矿企业面临的关键和重要问题[4]。在长期的工程实践中人们总结了很多煤矿瓦斯治理措施，但在具体应用中需要充分结合煤矿实际情况，合理选择最科学最有效的措施，这样才可以有效保障矿井生产安全[5]。本文主要以某煤矿为案例，详细介绍了回采工作面中的瓦斯治理技术措施，对于煤矿生产安全具有重要的理论和现实意义。

1 工程概况

1.1 矿井概述

某煤矿根据地质勘测结果和矿井建设情况，设计的年生产能力达到了180万t，服务年限为60年左右。该煤矿含煤层总体厚度在900 m左右，其中煤层整体厚度和可采煤层厚度分别为12.6 m和10.16 m左右。32、82、10号煤层整体比较稳定，属于可采煤层，其中后两者的煤层平均厚度大小其次为1.83 m和3.1 m，2个煤层之间的距离平均值为74 m。在工程实践中发现，82、10号煤层的瓦斯涌出量相对较大，经过鉴定后认为属于瓦斯突出煤层。整个煤矿2019年的矿井绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量分别为62.17 m3/min和36.71 m3/t。

1.2 工作面概述

主要以10号煤层的1075回采工作面为例，对其瓦斯治理情况进行分析。回采工作面煤层的厚度为1.39～4.04 m，平均厚度为3 m，煤层倾角2°～8°，平均为5°。工作面的倾向长度和走向长度分别为166 m和1 067 m。已经探明的煤炭储量达到了70.6万t，可以开采的煤炭量为67.1万t。煤层本身的结构相对简单，煤层底板为深灰至灰色的粉砂岩，内部包含有少量的细砂质泥岩，煤层顶板属于泥岩，局部位置包含有少量的粉砂质泥岩。

2 瓦斯涌出量预测及瓦斯抽采技术选择

2.1 瓦斯涌出量预测

1075回采工作面瓦斯来源主要包含2大部分，分别为本煤层和上临近煤层。在准确判断本煤层和上临近煤层瓦斯含量和瓦斯压力的基础上，结合相关理论可以计算得到10号煤层1075回采工作面的相对瓦斯涌出量为9.21 m3/t。工作面每天开采得到的煤矿重量为4 000 t左右，基于此可以计算得到1075工作面的绝对瓦斯涌出量为25.58 m3/min。由于工作面的瓦斯涌出量相对较大，采用普通的增加通风的方式已经无法解决问题，需要采用瓦斯抽采技术方案解决工作面高瓦斯的实际问题。

2.2 瓦斯抽采技术方案选择

考虑到煤矿中1075回采工作面的瓦斯涌出量相对较大，所以除了采用传统的通风机系统来降低矿井中的瓦斯浓度外，还需要利用先进的瓦斯抽采技术对瓦斯进行控制[6]。根据实际情况，瓦斯抽采技术可以分为不同的方案，本案例中充分结合矿井具体情况，拟采用3种瓦斯抽采技术方案同时进行施工，以便达到最优的瓦斯治理效果。以下对3种瓦斯抽采技术方案的基本原理进行详细介绍。

(1)高位钻场钻孔瓦斯抽采。这种瓦斯抽采技术方案主要是在工作面的回风巷中选择合适的钻场，在顶板进行钻孔并将终孔设置在顶板的裂隙带中，通过这种措施可以将顶板裂隙带中涌出的瓦斯提前进行抽采排除[7]。回采工作面高位钻场钻孔瓦斯抽采基本工作流程如图1所示。

在高位钻场中设置有2种类型的钻孔，分别为高位孔和拦截孔，其中高位孔的作用是对10号煤层本身的瓦斯进行抽采，拦截孔的作用是对上临近82号煤层的瓦斯进行抽采。为实现上述目的，高位孔的终孔需设置在10号煤层的裂隙带，拦截孔的终孔需要设置在82号煤层的顶板部位。工作面高位钻场的钻孔布置情况如图2所示。

图2 工作面高位钻场的钻孔布置情况Fig.2 Drilling layout of the high-level drilling field at the working face

(2)顶板岩层定向长钻孔瓦斯抽采。煤层工作面在推进过程中，顶板上面依次会出现冒落带和裂隙带，裂隙带中由于出现了很多裂隙，是瓦斯聚集的最佳位置。除采用高位钻孔对裂隙带瓦斯进行抽采外，还可以基于顶板岩层定向长钻孔瓦斯抽采技术来降低裂隙中的瓦斯量[8]。工作面顶板岩层定向长钻孔瓦斯抽采如图3所示。该技术方案将钻场设置在工作面的风巷中，钻孔同样可以分为2种类型，分别为高位孔和拦截孔。高位孔的终孔设置在10号煤层顶板裂隙带中下部区域，拦截孔的终孔设置在上临近82号煤层的底板下部区域，2种类型钻孔分别对2个煤层中的瓦斯进行抽采。顶板岩层定向长钻孔瓦斯抽采技术与高位钻场钻孔瓦斯抽采技术相比较是一种新兴技术，在实践应用中呈现出了明显的优势，未来会逐渐取代后者。

图3 工作面顶板岩层定向长钻孔瓦斯抽采示意Fig.3 Schematic diagram of gas drainage with directional long boreholes on the roof of working face

(3)地面钻孔瓦斯抽采。煤层工作面在开采过程中受到采动过程对原有平衡体系造成的影响，采空区顶板原有的围岩会失去平衡，在上部区域位置膨胀变形，形成很多裂隙并聚集大量的瓦斯。可以在地面设置钻场向采空区顶板裂隙区域进行钻孔。利用负压作用对顶板裂隙区域内聚集的瓦斯进行抽采，将瓦斯排除至地面以上。地面钻孔进行瓦斯抽采的原理如图4所示。

图4 地面钻孔进行瓦斯抽采的原理示意Fig.4 Schematic diagram of the principle of ground drilling for gas drainage

从图4可以看出，地面钻井同时穿过了7号和82号煤层，最后到达10号煤层裂隙区。所以地面钻孔不仅可以对10号煤层裂隙区瓦斯进行抽采，还可以对7号和82号煤层的瓦斯进行抽采。另外，考虑到工作面回风巷区域的瓦斯浓度相对较高，在设置地面钻场时，可以将其设置在靠近回风巷的部位。

3 回采工作面瓦斯治理技术参数确定

3.1 高位钻场和钻孔参数确定

(1)高位钻场参数。2个相邻钻场之间的距离会对瓦斯抽采效果产生重要影响，确定该数值时需要考虑煤层开采时冒落带高度大小。在考虑上述因素的情况下将钻场之间的间距暂定为80 m。每个钻场内的钻孔数量同样会影响瓦斯抽采效果，数量越多意味着抽采范围越大、效果越好，但成本会越高，最终确定每个钻场设置高位孔和拦截孔的数量分别为10个和20个。

(2)高位钻孔参数。经过分析发现1075工作面的冒落带和裂隙带范围分别在顶板以上0～13 m和13～40 m内。在裂隙带会聚集很多瓦斯，在采用高位钻孔方法进行瓦斯抽采时，需要将终孔放置在此范围内，可以达到最好的瓦斯抽采效果。最终确定的高位钻孔终孔位置距离工作面顶板15～30 m。考虑到上临近的82号煤层工作面的卸压瓦斯会影响1075工作面的瓦斯涌出，可以采用拦截孔的方式对82号煤层的瓦斯进行抽采。1075工作面高位钻孔瓦斯抽采的方案如图5所示。

图5 高位钻孔瓦斯抽采的方案示意Fig.5 Scheme of gas drainage in high drilling hole

对于高位钻孔而言，平距参数是其中比较重要的参数，是指工作面回风巷与钻孔终孔之间的水平距离。根据煤矿领域相关技术理论，设置的高位钻孔终孔需要控制在卸压范围以内，防止与中部压实区域直接接触，此措施能在一定程度上提升高位钻孔开展瓦斯抽采的时间和效率。结合实际情况，本研究中将高位钻孔的平距参数设置在0～65 m内，能够满足实际使用需要。

高位钻孔的孔径设置为113 mm。完成钻孔后需要进行封孔，封孔段长度太小或太长都会影响瓦斯抽采效果。如果封孔长度达不到要求，会使得回风巷中部分空气混入钻孔内部，从而降低瓦斯抽采效果。相反地，如果封孔长度太长，会阻碍一部分瓦斯正常进入钻孔内部，同样会制约瓦斯抽采效果的提升。在结合煤矿实际情况并借鉴以往成功实践经验的基础上，将高位孔和拦截孔的封孔深度分别设置为18 m和28 m。

3.2 定向钻场和长钻孔参数确定

为了更好的控制1075回采工作面的瓦斯超限问题，在工作面顶板岩层设置1个定向钻场，包括高位定向钻孔和定向拦截孔的数量分别为5个和7个。所有的孔径均为133 mm，对应的封孔深度分别为30 m和45 m。

(1)定向高位长钻孔。共设置有5个定向高位长钻孔，定向高位长钻孔的平面轨迹如图6所示。根据理论计算结果，设置的定向高位长钻孔能够覆盖的瓦斯抽采范围大约为65 m。所以设计的5个钻孔距离回风巷依次0、20、35、50、65 m，与煤层工作面顶板的距离均为20 m。1号钻孔深度为460 m，其余钻孔深度为500 m。在实际施工中，1号、2号、3号、4号、5号钻孔与工作面顶板之间的距离实际值分别为20.8、19.1、18.8、19、20.2 m。

(2)定向拦截孔。共设置有7个定向拦截孔，作用是对上临近的82号煤层中的卸压瓦斯进行抽采。定向拦截孔的终孔位置设置在82号煤层底板附近，设计的拦截孔深度全部为500 m。但在实际施工中，1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号定向拦截孔的实际钻孔深度分别为300、360、537、513、573、510、528 m，7个拦截孔与10号煤层顶板之间的平均距离分别为73.1、68.5、56.5、58.3、54.5、62.3、68.5 m。

3.3 地面钻孔技术参数设计

地面钻孔中的终孔位置会对抽采效果产生较大影响，如果将终孔直接设置在塌落带，那么塌落过程会对钻孔造成破坏，缩短钻孔的使用寿命，如果将终孔设置在裂隙带上部区域，虽然可以延长钻孔的使用寿命，但由于裂隙不是很成熟，瓦斯聚集量相对较小，会影响瓦斯抽采效果[9]。基于此，确定将地面钻孔的终孔设置在裂隙带的中下区域。考虑到1075工作面风巷的瓦斯聚集量相对较大，将地面钻孔设置在距离回风巷20～60 m的范围内。

根据理论和实践经验，确定地面钻孔有效瓦斯抽采范围在120 m左右。基于此，沿着工作面推进方向将地面钻孔之间的距离设置在240 m以内，共设置有10个地面钻孔，地面钻孔技术方案的布局如图7所示。其中，1号钻孔与切眼之间的距离为30 m，1号—10号钻孔中相邻钻孔之间的距离依次为80、84、56、101、111、109、108、157、170 m。根据上述技术方案可以实现沿着工作面推进方向瓦斯抽采的全覆盖，为1075回采工作面的瓦斯抽采效果奠定了良好的基础。

图7 地面钻孔技术方案的局部示意Fig.7 Partial schematic of ground drilling technology scheme

4 回采工作面瓦斯抽采治理效果

4.1 不同抽采技术累计瓦斯抽采量

为了分析设计的回采面瓦斯抽采技术方案的实际效果，针对1075工作面整个回采期间不同方案的瓦斯抽采情况进行了详细的统计计算分析。

工作面回采期间不同抽采技术累计瓦斯抽采量统计如图8所示。由图8可知，在高位钻场中，高位孔和拦截孔累计抽采获得的瓦斯量分别为29.74万m3和100.27万m3，瓦斯抽采量总计为130.01万m3；在定向钻场中，高位孔和拦截孔抽采获得的瓦斯总量依次为7.96万m3和47.22万m3，瓦斯抽采量总计为56.36万m3；地面钻场中只设置了地面孔，累计抽采获得的瓦斯总量为227.9万m3。在高位钻场和定向钻场中，高位孔主要是对10号煤层的瓦斯进行抽采，拦截孔主要是对上临近82号煤层的瓦斯进行抽采。可以看出，利用拦截孔抽采得到的瓦斯总量要比高位空抽采得到的瓦斯总量要大很多，总量分别为37.7万m3和148.59万m3。地面钻场同时对上临近82号煤层和10号煤层的瓦斯进行抽采，因而无法分辨在2个煤层中具体的抽采量。

图8 工作面回采期间不同抽采技术累计瓦斯抽采量统计Fig.8 Statistics of cumulative gas drainage volume of different drainage technologies during the working face's recovery period

4.2 回风巷和上隅角瓦斯浓度监测结果

对于煤矿开采工作面而言，上隅角和回风巷2个容易聚集瓦斯的地方，因此这2个位置的瓦斯浓度相对其他部位会更高[10]。为了确保煤矿生产安全，通常需要对上隅角和回风巷的瓦斯浓度进行持续监测。本工程案例中，除使用传统的通风即系统进行瓦斯治理外，还综合利用了不同的瓦斯抽采技术方案对高瓦斯浓度进行治理，1075回采工作面回风巷和上隅角瓦斯浓度的演变情况如图9所示。

图9 回采工作面回风巷和上隅角瓦斯浓度的演变情况Fig.9 Evolution of gas concentration in the return air tunnel and the upper corner of the working face

由图9可知，上隅角部位的瓦斯浓度整体上要比回风巷位置的瓦斯浓度要高。监测期间，上隅角瓦斯浓度为0.11%～0.33%，平均0.21%；回风巷瓦斯浓度为0.08%～0.29%，平均0.19%。根据行业相关规范标准要求，矿井中的瓦斯浓度不得超过1%，为了确保煤矿生产中的瓦斯安全，将井内的瓦斯浓度安全预警值设置在0.5%。由图中数据可知，在整个监测期间上隅角和回风巷中的最高瓦斯浓度只有0.33%，远远低于行业标准中要求的1%，也比本煤矿中要求的安全预警数值0.5%要低。

综合以上分析认为，研究中使用的工作面瓦斯治理技术是可行的，达到了预期效果，将矿井内部的瓦斯浓度控制在了较低水平，为煤矿安全生产奠定了良好的基础。

5 结论

主要以某高瓦斯矿井为研究对象，对其瓦斯治理技术方案进行了详细设计，所得结论主要如下。

(1)基于实测数据对10号煤层1075回采工作面的瓦斯绝对涌出量和相对涌出量进行计算，结果分别为25.58 m3/min和9.21 m3/t，属于高瓦斯煤层。需要利用先进的瓦斯抽采技术实现矿井瓦斯浓度的控制。

(2)综合利用高位钻场钻孔瓦斯抽采、顶板岩层定向长钻孔瓦斯抽采和地面钻孔瓦斯抽采开展瓦斯抽采工作，前2种方案中同时包含有高位孔和拦截孔，分别对本煤层和上邻近煤层的瓦斯进行抽采。

(3)将3种瓦斯抽采技术应用到煤矿工程实践中，整个工作面回采期间，抽采瓦斯总量分别为130.01万m3、56.36万m3和227.90万m3。

(4)对1075回采工作面回风巷和上隅角部位的瓦斯浓度进行持续监测，发现2个位置的瓦斯浓度分别在0.08%～0.29%和0.11%～0.33%，远远低于国家标准1%的基本要求，验证了瓦斯治理技术方案的科学性。