腾晖煤业42200 采煤工作面瓦斯抽采技术研究

张志远

（霍州煤电集团云厦建筑工程公司，山西 霍州031400）

0 引 言

在煤炭资源的开采过程中，存在着许多威胁安全生产的因素，其中瓦斯是主要因素之一，严重影响着煤矿安全生产。随着煤炭资源的开采深度不断增加，渗透率降低，瓦斯含量和压力逐渐增高，为了保证煤矿工作面的安全生产，需针对工作面瓦斯进行治理，以达到安全标准[1,2]。

曹运兴[3]针对低渗透煤层进行定向多簇气相压裂治理技术研究，大大提高了瓦斯抽采效率；李奇[4]针对回采工作面上隅角瓦斯集聚区域进行瓦斯抽采治理，有效解决了瓦斯超限问题；武瑞龙[5]采用多种瓦斯抽采方式，解决了近距离三软煤层U 型通风工作面瓦斯问题。

1 矿井概况

腾晖煤业可采煤层有2#、3#上、3#下、6、7、8#上、8、9#等八层，主采煤层为2#、8#煤，层间距92m，3#煤与2#煤层间距29m；煤层自燃倾向性等级为Ⅱ级，属自燃煤层，煤尘具有爆炸性，爆炸性指数为26.48%，矿井绝对瓦斯涌出量91.12m3/min，相对瓦斯涌出量16.27m3/t，属于高瓦斯矿井。2#煤层结构简单，局部节理发育，平均厚度1.9m，倾角平均6°。42200 工作面位于西十二采区左翼，东邻西十采区，南为42010 工作面，西部为大巷保护煤柱，北为42202 工作面，42200 工作面走向长200m，倾斜长140m，工作面顶底板岩层情况如表1 所示。42200 工作面回采期间采用“U”型通风方式，配风量取650m3/min，正巷进风、副巷回风的通风系统，如图1 所示。

表1 顶底板情况表

图1 工作面通风系统图

2 工作面瓦斯涌出量预测

回采工作面最大瓦斯涌出量根据分源预测法（开采层、邻近层）进行计算。

1）开采层瓦斯涌出量计算：

式中：K1为工作面丢煤瓦斯涌出系数，取1.05；K2为围岩瓦斯涌出系数，取1.3；K3为准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数，取0.86；M为工作面采高，1.95m；m为开采层厚度，1.95m；WC为运出矿井后煤的残余瓦斯含量，取2.87m3/t；W0为煤层原始瓦斯含量，取5.43m3/t；q1为开采层相对瓦斯涌出量，m3/t。

代入数据计算得：q1=3.01m3/t。

2）邻近层瓦斯涌出量计算：

式中：mi为第i 个邻近层煤层厚度，1#煤层0.37m，3#煤层取1.31m，3-2#煤层取0.93m；M为工作面采高；ηi为第i 个邻近层瓦斯排放率，1#煤层取89%，3#煤层取92%，3-2#煤层取93%；Wci为第i个邻近层煤层残存瓦斯含量，各邻近层均取1.24m3/t；W0i为第i 个邻近层煤层原始瓦斯含量，各邻近层各取4.0m3/t；q2为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t；

代入数据计算得：q2==0.47+1.71+1.22=3.4m3/t。

以日产3 000t 煤预计，42200 工作面本煤层回采时绝对瓦斯涌出量预计为6.27m3/min，邻近层绝对瓦斯涌出量为7.08m3/min。

3 工作面瓦斯治理方法

42200 工作面瓦斯涌出来源主要为本煤层和邻近层，需要采取多种方法进行强化抽采，有效提高抽采率，降低风排瓦斯量。参照以往2#煤层其他工作面的抽采方式，42200 工作面采取本煤层预抽、上邻近层裂隙带钻孔抽采、顶板孔抽采和大孔径钻孔抽采。

3.1 本煤层瓦斯抽采方案

在工作面倾向打顺层水平钻孔进行抽采，钻孔均垂直于煤壁，开孔高度距巷道底板1.4m 位置；由于工作面长200m，运输正巷施工本煤层钻孔，故钻孔长度全部为180m；钻孔直径决定钻孔暴露煤的面积，进而决定抽采量，综合分析相关因素确定钻孔直径为113mm，钻孔间距确定为5m，本煤层瓦斯抽采方案施工布置图如图2 所示。

图2 本煤层瓦斯抽采方案

3.2 裂隙钻孔抽采方案

裂隙钻孔抽放方案采用钻场方法布置，钻孔在运输正巷向工作面切眼倾斜布置；开孔位置在巷道顶、帮交界处的岩层中，切眼往外30m 处布置第一个钻场，依次往外每个钻场间距30m，每个钻场施工5 个孔钻孔，孔间距0.3m。钻孔水平距定为50m，每个钻场的第一个低位钻孔终孔垂高取15.18m，第二个中位钻孔终孔垂高取20.24m，第三个中位钻孔终孔垂高取25.3m，第四个中位钻孔终孔垂高取25.3m，第五个高位钻孔终孔垂高取30.36m。钻孔倾角及方位角根据岩层情况，结合邻近工作面裂隙孔角度参数和抽放情况，1#钻孔倾角18°，2#钻孔倾角22°，3#钻孔倾角27°，4#钻孔倾角27°，5#钻孔倾角31°。根据钻机性能、施工速度与技术水平、抽放瓦斯量等因素，确定钻孔直径为113mm，裂隙钻孔抽放方案施工布置图如图3 所示。

图3 裂隙钻孔抽采方案

3.3 顶板孔抽采方案

钻孔开孔位置在正巷顶板，切眼往外15m 处布置第一个钻场，依次往外每个钻场间距30m，所有钻场每个钻孔间距1m，每个钻场施工3 个孔。根据岩层情况钻孔水平距定为50m，每个钻场的第一个钻孔的终孔高度为20.24m，方位角为0°，第二个钻孔终孔垂高为25.3m，方位角为0°，第三个钻孔终孔垂高为25.3m，方位角为1°。1#钻孔倾角22°，2#钻孔倾角27°，3#钻孔倾角27°。钻孔开孔直径113mm、终孔直径为113mm。综合上述确定顶板孔抽采方案施工布置图如图4 所示。

图4 顶板孔抽采方案

3.4 大孔径钻孔抽采方案

在42200 正巷旁提前施工邻近42202 工作面副巷，作为42200 工作面的瓦斯治理巷，在瓦斯治理巷施工大孔径钻孔，每个钻孔间距20m。所有钻孔均垂直于煤壁施工，钻孔终孔施工至2#煤层顶板，开孔高度距巷道底板1.4m，直径为355mm，孔间距为20m，大孔径钻孔抽采方案施工布置如图5 所示。

图5 大孔径钻孔抽采方案

4 现场瓦斯浓度监测

42200 工作面通过实施上述综合瓦斯抽采措施，本煤层钻孔瓦斯抽采量平均为3.6m3/min，裂隙带钻孔抽采量平均为2.2m3/min，顶板孔抽采量平均为1.6m3/min，大孔径钻孔抽采量平均为1.2m3/min。在工作面回采过程中，工作面巷道及上隅角瓦斯浓度基本稳定在0.3%～0.6%之间，有效防止了瓦斯聚集问题，保证了工作面的安全生产。

针对腾晖煤业42200 工作面瓦斯含量较高的问题，采用理论计算和工程经验对治理技术进行了研究，采用“本煤层预抽、上邻近层裂隙带钻孔抽采、顶板孔抽采和大孔径钻孔抽采”综合抽采技术，有效防止了瓦斯聚集问题，保证了安全生产。