特厚煤层大倾角高瓦斯矿井瓦斯灾害治理技术的优化及应用

王 宁

(兖矿新疆矿业有限公司硫磺沟煤矿，新疆 昌吉 831100)

某煤矿原采煤工作面瓦斯治理模式为煤层预抽配合回风隅角埋管抽放采空区瓦斯，地面配套的瓦斯抽放系统为4台2BEC-60型水环式真空泵，最大吸气量294 m3/min。根据测定统计与计算，(4-5)06综放工作面和(9-15)08综放工作面各类参数对比如表1：

表1 (4-5)06综放工作面和(9-15)08综放工作面各类参数Tab.1 Various parameters of (4-5)06 and (9-15)08 fully mechanized caving faces

考虑(9-15)08综放工作面为特厚煤层、工作面内瓦斯含量高，各类参数特殊，且原瓦斯抽采技术和配套的瓦斯抽放系统仅能满足开采4-5煤层，开采9-15煤层时，瓦斯超限风险可能性较高，需对(9-15)08工作面瓦斯治理进行优化。

1 瓦斯涌出量分源计算

采落煤炭瓦斯涌出量为Q1，Q1=K1·Kh1·Kp1(W0-Wc)。式中：Q1为采落煤相对瓦斯涌出量，m3/t；K1为工作面丢煤瓦斯涌出系数，值为机采回采率的倒数；Kh1为采厚因子，取采煤厚度与本煤层总厚度的比值；Kp1为煤体残余碎胀系数；W0为煤层原始瓦斯含量，m3/t；Wc为煤层残存瓦斯含量，m3/t。

放落煤炭瓦斯涌出量Q2，Q21=K2·Kh2·Kp2(W0-Wc)sinα。式中：Q2为放落煤相对瓦斯涌出量，m3/t；K2为工作面丢煤瓦斯涌出系数，值为放落煤回采率的倒数；Kh2为采厚因子，取采煤厚度与本煤层总厚度的比值；Kp2为放落煤体残余碎胀系数；W0为煤层原始瓦斯含量，m3/t；Wc为煤层残存瓦斯含量，m3/t；α为冒落角，取80°。

采空区残煤瓦斯涌出量Q4，Q4=(1-k回)·(W0-Wc)。式中：Q4为采空区残煤相对瓦斯涌出量，m3/t；K回为平均回采率；W0为煤层原始瓦斯含量，m3/t。

(9-15)08工作面瓦斯涌出量预测结果：按上述本煤层及邻近层瓦斯涌出预测，得(9-15)08工作面绝对瓦斯涌出量为：Q=A倾斜Q本(倾斜)+A水平Q本(水平)+(A倾斜+A水平)Q邻。通过计算得出(9-15)08工作面煤层相对瓦斯涌出量为Q=8.89 m3/t。

2 成果内容

地面瓦斯泵房改扩建工程：2020年，瓦斯泵房改扩建工程在原基础上增加了2台2BEC-72型水环式真空泵，并于2020年7月份陆续投入使用。目前，地面瓦斯泵站安装有4台2BEC-60型水环式真空泵，最大吸气量294 m3/min，一用三备；2台2BEC-72型水环式真空泵，最大吸气量567 m3/min，一用一备。

首次采用煤层预抽及高位走向长钻孔[1]抽放瓦斯为主、回风隅角[2]埋设管路抽放采空区瓦斯为辅的方式进行瓦斯综合治理。根据(9-15)08综放面综合柱状图，9-15煤层与7煤之间为12.10 m厚的粉砂岩，为保证长钻孔成孔效果，将定向长钻孔布置在粉砂岩中。根据(9-15)08工作面轨顺巷道实际施工情况，利用定向长钻孔代替高抽巷抽采卸压瓦斯，需要布置2个钻场，钻孔中气体流速分别为12 m/s、15 m/s，孔径为φ98 mm，封孔管采用φ108 mm的PE管或钢管。为进一步提高定向长钻孔利用率及覆盖面积，钻场间距为350 m，钻孔深度为350 m。定向长钻孔终孔分布区域如图1所示，终孔分布区域距离轨道顺槽巷道中心线25 m，距离回风巷道底板26 m以上，区域内终孔位置均匀分布。

图1 定向长钻孔平面示意图Fig.1 Plan diagram of directional long borehole

图2 预抽钻孔剖面示意图Fig.2 Diagrammatic cross-section of drainage borehole

瓦斯治理工程量：矿井于2021年4月11日停产，4月18日(9-15)08工作面封闭停止抽放，至2021年11月13日恢复工作面生产，2021年矿井累计瓦斯抽放总量约为313万m3。工作面累计施工完成钻场17个，所有钻场内瓦斯抽放钻孔均施工完成，共计施工Φ120 mm、Φ133 mm瓦斯钻孔各施工长度6 720 m，施工“一氮多用”钻孔12个，进尺450 m，合计钻孔施工总长度13 890 m，钻孔下套管长度7 170 m。定向钻孔工程量：在轨道顺槽以1 m为间距、皮带顺槽2 m为步距，施工本煤层瓦斯预抽钻孔，轨道顺槽施工瓦斯预抽钻孔625个，皮带顺槽施工瓦斯预抽钻孔650个，中部联络巷施工卸压预抽钻孔52个，地面瓦斯抽放泵站现运行3#瓦斯抽放泵用于(9-15)08轨道顺槽、皮带顺槽瓦斯预抽钻孔瓦斯抽放，日预抽瓦斯量6 000 m3以上。

在上隅角[3-4]埋设两趟φ219 mm的钢管，每趟埋管末端设φ194 mm的立管，管壁上部均匀切割圈孔且用纱网包裹，立管间距为12 m，当预埋管路进入采空区12 m时开始瓦斯抽放，进入采空区24 m时断开，两趟埋管依次不断向前延接。

优化高位钻场钻孔布置：与高校合作开展高位走向长钻孔日常监测、分析工作，根据监测分析结果进行钻孔设计优化，结合(4-5)06工作面瓦斯治理经验，将(9-15)08工作面高位钻场瓦斯抽放钻孔数量由10个优化至17个。

高位钻场相对(9-15)08工作面轨道顺槽抬高3 m，钻场间距65 m，搭接长度35 m。上下两排布置，距钻场底板高度分别为1 m、1.5 m，第一排钻孔距离钻场边缘0.2 m，其余孔间距0.6 m。钻场内布置钻孔12个，钻孔控制范围为工作面顶板以上3～9 m，上隅角向工作面方向20 m范围，待对钻孔抽采效果进行观测后，再行优化。

图3 高位钻场剖面布置示意图Fig.3 Schematic diagram of the profile layout of the high drilling field

图4 高位走向长钻孔平面布置图Fig.4 Plan layout of high strike long drilling holes

表2 高位钻场钻孔施工设计参数Tab.2 Drilling design parameters of high level drilling field

3 效果评价

地面瓦斯抽放泵站运行6#瓦斯抽放泵用于(9-15)08轨道顺槽高位钻场及定向钻场钻孔瓦斯抽放，日瓦斯抽放量在24 000 m3以上。矿井日平均瓦斯抽放总量约30 000 m3，工作面生产期间上隅角瓦斯浓度稳定在0.6%以下，回风流瓦斯浓度稳定在0.5%以下，杜绝了瓦斯超限。

工作面生产至今，累计推进约770 m。目前，(9-15)08皮带顺槽瓦斯预抽钻孔平均瓦斯抽放浓度15.45%，抽放流量34.26 m3/min左右，周抽放纯量53 355 m3；轨道顺槽预抽钻孔平均抽放浓度13.79%，抽放流量11.2 m3/min左右，周抽放纯量15 591 m3。轨顺高位钻场走向长钻孔、定向长钻孔和平均抽放浓度12.56%，抽放流量117 m3/min左右，周抽放纯量162 647 m3。

经过对(9-15)08综放工作面瓦斯抽放工作的持续跟踪和统计证明，采用煤层预抽、高位走向长钻孔抽放瓦斯为主、回风隅角预埋管路抽放采空区瓦斯为辅的综合治理技术[5]，完全符合该矿目前的生产条件，能够实现安全生产。

4 结语

(9-15)08工作面回采期间以煤层预抽及高位走向长钻孔抽放瓦斯为主、回风隅角埋管抽放采空区瓦斯为辅的综合方式，在9-15号煤层布置顺层预抽钻孔，在煤层内布置高位钻孔，可有效提高钻孔利用率。采空区内埋设抽放管路，采用迈步交替方式倒换抽放。

受工作面周期来压及多煤层复合采空区压力显现等因素的影响，高位走向长钻孔在施工过程中出现压钻杆、塌孔等现象，钻孔施工困难，进度慢，还需引进大功率定向钻机提高钻孔施工速度和成空率。持续跟踪(9-15)08综放工作面瓦斯抽放工作，优化钻孔参数，提高瓦斯治理水平。