李阳煤矿15501 综采工作面瓦斯综合治理技术

严书政

（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030000）

瓦斯事故是威胁煤矿安全生产的重要因素[1]。目前，常用的瓦斯治理方法有地面钻井预抽、本煤层抽采、邻近层抽采和采空区抽采等[2-3]。高瓦斯厚煤层放顶煤开采时，受工作面高产及放顶时顶煤瞬间垮落影响，煤层中大量积聚瓦斯释放，极易造成工作面和回风流瓦斯浓度超限[4-5]。单一的瓦斯治理措施难以有效治理瓦斯问题[6]。李阳煤矿为高瓦斯矿井，受工作面U 型通风影响，工作面上隅角和回风流瓦斯浓度超限，严重影响安全生产。

1 工程概况

李阳煤矿现开采15 号煤层，煤层平均埋深为360 m，均厚5.56 m，平均倾角9°。15 号煤孔隙率为2.86%～3.97%，瓦斯最大含量为12.7 m3/t，瓦斯压力为0.03～0.60 MPa，百米钻孔初始瓦斯涌出量为4.19～4.57 L/min，百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.144～0.158 d-1，透气性系数为0.107 3～0.372 2 m2/MPa2·d，属可抽采厚煤层。15501 工作面位于五采区，南侧和西侧为边界煤柱，北为五采区大巷，东邻15502 工作面。工作面倾向长度为180 m，走向长度为2015 m，可采走向长度为1515 m，共布置15501 胶带顺槽、辅运顺槽和高抽巷三条巷道。全矿井采用分区式通风系统，机械抽出式通风方法，工作面采用“U”型通风方式，15501 胶带顺槽进风，15501 辅运顺槽回风。工作面顺槽均采用矩形断面，尺寸为4500 mm×3600 mm（净宽×净高），设计长度为1577 m；15501 高抽巷为矩形断面，尺寸为4000 mm×3000 mm（净宽×净高），设计长度1650 m。工作面采用综采放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板。

2 工作面瓦斯来源分析及涌出量预测

2.1 工作面瓦斯来源分析

15 号煤工作面回采期间瓦斯来源主要有割煤瓦斯涌出、放顶煤瓦斯涌出、采空区遗煤瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出。回采工作面最大瓦斯涌出量为48.53 m3/min，其中开采层瓦斯涌出量为30.49 m3/min，占62.82%；邻近层瓦斯涌出量为18.04 m3/min，占37.18%。故15 号煤瓦斯来源主要是回采工作面和采空区。

2.2 工作面瓦斯涌出量预测

工作面相对瓦斯涌出量qc可通过式（1）计算：

式中：q1为割煤相对瓦斯涌出量，m3/t；q2为放煤相对瓦斯涌出量，m3/t；q3为工作面采空区相对瓦斯涌出量，m3/t；q4为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。

1）割煤相对瓦斯涌出量

割煤相对瓦斯涌出量q1可通过式（2）计算：

式中：K1为围岩瓦斯涌出系数，取1.3；K2为采区内准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数；Kfi为第i分层瓦斯涌出影响系数，取1；m1为割煤高度，取3.0 m；M为开采煤层厚度，取5.56 m；W0为煤层瓦斯含量，取12.7 m3/t；Wc为煤的残存瓦斯含量，取2.08 m3/t；L为工作面长度，取180 m；h为巷道瓦斯预排等值宽度，取10.5 m。根据式（2）和（3）得K2=0.88，q1=6.56 m3/t。

2）放顶煤相对瓦斯涌出量

放顶煤相对瓦斯涌出量可采用式（4）计算：

式中：K3为放落煤体破碎度对放顶煤瓦斯涌出影响系数，取0.93；m2为放顶煤高度，取2.56 m；根据式（4）得q2=5.20 m3/t。

3）工作面采空区相对瓦斯涌出量

工作面采空区相对瓦斯涌出量可根据式（5）和（6）计算：

式中：qy为遗留煤相对瓦斯涌出量，m3/t；qf为下分层相对瓦斯涌出量，取0；K4为遗留煤瓦斯涌出不均衡系数，取1.3；K5为放顶煤回采率，取88%；根据式（5）和（6）得q3=1.66 m3/t。

4）邻近层相对瓦斯涌出量

邻近层相对瓦斯涌出量可根据式（7）计算：

式中：mi为第i个邻近煤层厚度，m；ηi为第i个邻近层瓦斯排放率，%；Woi为第i个邻近煤层原始瓦斯含量，按15 号煤选取，m3/t；Wci为第i个邻近煤层残存瓦斯含量，按15 号煤选取，m3/t。邻近层瓦斯涌出量见表1。根据式（7）得q4=7.94 m3/t。

表1 邻近层瓦斯涌出量表

15 号煤工作面回采期间瓦斯相对涌出量qc=q1+q2+q3+q4=6.56+5.20+1.66+7.94=21.36 m3/t，绝对瓦斯涌出量为48.53 m3/min。

3 工作面瓦斯综合治理技术方案

3.1 本煤层顺层平行钻孔抽采

本煤层顺层平行钻孔布置方式：沿胶带顺槽、轨道顺槽向工作面布置双排顺层平行钻孔，钻孔呈三花布置，直径113 mm，孔深100 m，孔间距1.8 m，钻孔与煤层角度相同。上排钻孔开孔及终孔位置距顺槽顶板为2 m，下排钻孔开孔及终孔位置距顺槽底板为0.6 m。采用囊袋式带压注浆封孔工艺，孔口负压13 kPa。根据15 号煤三采区本煤层顺层平行钻孔瓦斯抽采经验，设计预抽时间为360 d。顺层平行钻孔抽采管路与顺槽高负压瓦斯抽采管路联通，本煤层顺层平行钻孔布置情况如图1。

图1 本煤层顺层平行钻孔布置图（m）

3.2 走向高抽巷抽采

因15 号煤工作面顶板冒落带和裂隙带最大高度分别为32.8 m 和65.6 m，故走向高抽巷布设位置为15 号煤顶板以上32.8～65.6 m。走向高抽巷顶板沿K3 石灰岩底板布置，K3 石灰岩距15 号煤层顶板35 m。根据工作面长度为180 m，设计走向高抽巷与15501 轨道顺槽水平距离35 m，利用走向高抽巷闭墙上的插管对工作面采空区瓦斯进行抽采。走向高抽巷布置如图2。

图2 走向高抽巷布置图

3.3 裂隙带高位钻孔抽采

回采工作面后方采空区裂隙带和采空区部分瓦斯采用高位钻孔进行抽采。在轨道顺槽内布置钻场，钻场尺寸4000 mm×3600 mm×4000 mm（宽×高×深），间距66 m，钻场内向回采方向顶板施工6 个扇形钻孔，钻孔直径113 mm，终孔位置为采空区上方48 m 裂隙带内。钻场内布置上下两排钻孔，上排布置3 个，开孔位置靠近顶板，仰角38°，斜长平均84 m，水平夹角13°、21°、27°，终孔距回风顺槽15 m、25 m、35 m；下排布置3 个，开孔位置为顶板往下0.8 m 处，仰角27°，斜长平均109 m，水平夹角8°、14°、19°，终孔距回风顺槽15 m、25 m、35 m。裂隙带高位钻孔布置如图3。

图3 裂隙带高位钻孔布置图（m）

3.4 上隅角插管抽采

设计15501 轨道顺槽布置一趟直径为457 mm的瓦斯抽采管路，将长度为10 m 的金属管（插管）固定在袋子墙内，前端设置筛孔管，通过瓦斯抽采软管与低负压瓦斯抽采管路连接，插管随工作面推进而移动。工作面回风流上隅角插管布置如图4。

图4 上隅角插管布置图（m）

4 工作面瓦斯治理效果评价

由现场瓦斯抽采监测数据知，开采层预抽瓦斯量为21.41 m3/min，开采层瓦斯抽采量为29.97 m3/min，上邻近层抽采量为9.02 m3/min，回采工作面采空区瓦斯抽采量为2.86 m3/min，回采工作面瓦斯抽采率为86.2%。此外，对15501 工作面回采期间上隅角和回风流中瓦斯浓度进行现场实测，结果如图5。由图5 可知，工作面上隅角瓦斯浓度为0.42%～0.68%，回风流中瓦斯浓度为0.38%～0.65%，均小于瓦斯浓度报警临界值0.8%，表明所采用的瓦斯综合治理措施对15501 工作面瓦斯治理效果显著。

图5 瓦斯浓度变化曲线

5 结语

1）分析了工作面回采期间瓦斯来源，预测工作面瓦斯相对涌出量为21.36 m3/t，绝对瓦斯涌出量为48.53 m3/min。

2）提出了“本煤层顺层平行钻孔抽采+走向高抽巷抽采+裂隙带高位钻孔抽采+上隅角插管抽采”的瓦斯综合治理措施。

3）现场应用结果表明：进行瓦斯综合治理后，工作面上隅角瓦斯浓度为0.42%～0.68%，回风流中瓦斯浓度为0.38%～0.65%，瓦斯治理效果显著。