高瓦斯矿井工作面瓦斯抽采参数确定及应用研究.pdf

高瓦斯矿井工作面瓦斯抽采参数确定及应用研究贾 通 平（中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000）摘要：针对高瓦斯矿井回采过程中瓦斯超限影响工作面生产的问题。本文依据张子山煤矿开采条件为研究背景，对工作面瓦斯涌出量构成进行预测，确定了在回采过程中工作面瓦斯增加的因素，对不同因素下煤层瓦斯抽采进行可行性分析，介绍了回采工作面瓦斯抽采方法，设计了矿井瓦斯抽采具体方案，确定了开采层和采空区瓦斯抽采参数，为矿井煤层瓦斯治理提供了一定的借鉴经验。关键词：高瓦斯矿井；瓦斯抽采；开采层；采空区；邻近层中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）05-0029-05Study on Determination and Application of Gas Extraction Parameters in HighGas Mine Working FaceJIA Tongping（110000，）Abstract:Aiming at the problem of gas overrun affecting working face production in the process of mining in high gas mine.Based on themining conditions of Zhangzishan Coal Mine as the research background,this paper predicts the composition of gas emission in the workingface,determines the factors of gas increase in the working face during the mining process,analyzes the feasibility of coal seam gas extractionunder different factors,introduces the gas extraction method in the working face,designs the specific scheme of gas extraction in the mine,determines the gas extraction parameters in the mining layer and goaf,and provides some reference experience for the gas control in the mine.Keywords:high gas mine；gas extraction；mining layer；goaf；adjacent layer0引言近年来，随着煤矿开采深度和强度增加，煤矿瓦斯灾害逐渐增多，瓦斯防治成为制约煤矿安全、高效、可持续发展的重点关注问题。在近距离煤层开采过程中，临近煤层瓦斯容易受到采动影响，造成瓦斯通过岩层裂隙流入工作面，从而导致工作面瓦斯超限的问题。因此，为了解决此类问题，出现了利用定向长钻孔抽采临近煤层瓦斯，主要通过在开采煤层顶板布置定向钻孔，利用工作面回采时顶板采动裂隙来抽采临近煤层瓦斯，从而降低工作面瓦斯涌入，解决煤层群开采过程中的瓦斯超限的问题，该技术在我国进行了大量研究应用 1,2。本文依据张子山煤矿开采条件为研究背景，对工作面瓦斯涌出量构成进行预测，对不同因素下煤层瓦斯抽采进行可行性分析，进而设计矿井瓦斯抽采方案，从而解决矿井煤层瓦斯对开采过程中的影响，为高瓦斯矿井安全高效开采提供保障。1工程概况山西中阳张子山煤矿位于山西省吕梁市中阳县城东古家岭村，矿井内主要含煤 5 层，自上而下编号为 3、4、5上、6、10 号煤层，其中 6、10 号煤层为全区稳定可采煤层，可采煤层特征见表 1。表 1可采煤层特征一览表根据矿井相关资料，矿井产量达到 120 万 t/a时，6 号煤层开采矿井最大绝对瓦斯涌出量为 47.75m3/min，最大相对涌出量为 18.91 m3/t；10 号煤层开采矿井最大绝对瓦斯涌出量 43.18 m3/min，最大相对涌出量为 17.10 m3/t。依据 煤矿安全规程 相关规定，在开采 6、10 号煤层时该矿井为高瓦斯矿井。因此，张子山煤矿开采 6、10 号煤层时，回采工作面需要进行瓦斯抽采，对回采工作面开采过程中瓦斯抽采方案进行设计，从而防止在开采过程中瓦斯超限造成工作面无法正常开采。2矿井瓦斯抽采可行性分析2.1回采工作面瓦斯涌出量分析回采工作面瓦斯主要由开采层瓦斯涌出及邻近2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷煤层编号见煤点厚度最小-最大平均（m）煤层结构（夹矸层数）煤层间距最小-最大平均（m）顶板岩性底板岩性稳定性可采性5上0-1.350.57简单（偶含 1 层）砂质泥岩、中砂岩砂质泥岩不稳定局部可采60.92-1.541.27简单（0-2）石灰岩、泥岩细粒砂岩稳定全区可采105.59-6.736.38复杂（2-5）砂质泥岩、细粒砂岩泥岩、砂质泥岩稳定全区可采7.05-11.839.7014.37-23.0116.5333.41-43.9538.1329层瓦斯组成，详见表 2。表 2工作面瓦斯涌出量构成预测结果通过对表 2 分析可知，影响工作面瓦斯涌出量的主要因素为开采层瓦斯、邻近层瓦斯和采空区瓦斯，其中受到开采层影响较大，邻近层影响次之，采空区也存在一定影响。因此，从开采层、邻近层和采空区瓦斯抽采可行性进行分析研究。2.2开采层瓦斯抽采的可行性针对开采层抽采瓦斯的可行性分析，主要为 2个可抽性衡量指标，分别为煤层透气性系数（）、钻孔瓦斯流量衰减系数（）。表 3 为煤层预抽瓦斯的难易程度划分类型。表 3开采层预抽瓦斯难易程度分类表表 3 中所规定的开采层预抽难易程度分类的目的是为根据煤层的不同抽采类型选择相应的抽采方法、工艺技术参数而提供依据。依据矿井相关资料，6号煤层透气性系数 值为 0.135 m2/（MPa2 d），依据表 3 大于 0.1 m2/（MPa2 d），属可抽采煤层，煤层钻孔自然瓦斯流量衰减系数 为 0.026 2 d-1，也属可以抽采煤层，综合分析可知 6 号煤层为可以抽采类型；10 号煤层透气性系数 值为 8.765 m2/（MPa2 d），依据表 3 小于 10 m2/（MPa2 d），属可以抽采煤层，煤层钻孔自然瓦斯流量衰减系数 为 0.024 d-1，属可以抽采煤层，综合分析 10 号煤层为可以抽采类型。因此，6、10 号煤层均属可抽采煤层，5上号煤参数可以参考 6 号煤，也属于可抽采煤层。根据上述结果综合分析认为，矿井 6、10 号煤层属于可抽采类型，预抽开采层煤层瓦斯是可行的。2.3邻近层抽采瓦斯的可行性邻近层抽采瓦斯技术是一项成熟的治理瓦斯灾害的技术 3-5，张子山煤矿各可采煤层存在中近距离的上、下邻近层，受采动影响邻近层瓦斯向开采层采空区涌出瓦斯，而采空区的大量瓦斯又涌向回采工作面。因此，通过采空区抽采可解决部分邻近层及采空区浮煤瓦斯，减少工作面回风上隅角瓦斯超限次数，降低工作面瓦斯风排瓦斯量及矿井风排瓦斯量。张子山煤矿主要开采 5上、6、10 号煤层，其上部的各采空区与不可采煤层均属于中近距离邻近层，瓦斯含量较小，依靠通风能够稀释邻近层瓦斯，所以本矿井邻近层瓦斯利用采空区瓦斯抽采系统抽采，但随着矿井开采深度加深，重新测定瓦斯参数后，在确定邻近层瓦斯是否进行单独抽采。2.4采空区抽采瓦斯的可行性张子山煤矿开采 5上、6、10 号煤层，其邻近的各可采与不可采煤层均属中、近距离邻近层，各可采煤层的开采顺序为下行开采，即区域内先开采 5上、6 号煤后开采 10 号煤。井田内 5上、6 号煤层已开采完，5上、6 号煤层本煤层瓦斯及其上邻近层瓦斯已大部排放。5上号与 6 号煤层间距约 14 m，6 号与10 号煤层间距约 38 m，开采 6 号煤层时，其上邻近层瓦斯部分通过采空区向工作面涌出，其下邻近层瓦斯通过采空区向工作面涌出，因此，通过采空区抽采可解决部分邻近层瓦斯。开采 10 号煤层时，其上邻近层 5上、6 号煤已开采，受 5上、6 号煤采动影响，10 号煤上邻近层瓦斯大部已释放，从瓦斯预测结果来看，10 号煤回采工作面瓦斯涌出量主要来自本煤层，因此考虑对 10 号煤的本煤层和采空区进行瓦斯抽采。3矿井瓦斯抽采方案根据张子山煤矿实际情况，结合国内瓦斯抽采矿井抽采经验 6-9，采用本煤层和采空区综合抽采相结合的方式进行抽采。3.1回采工作面抽采方法3.1.1开采层瓦斯抽采方法根据相邻矿井瓦斯基础参数测定报告，6、10 号煤层属可抽采类型煤层，因此，本矿井 6、10 号煤层也属可抽采类型煤层，根据预测报告本矿井煤层瓦斯涌出量较大，因此，需要对本煤层瓦斯进行预抽。开采层瓦斯抽采方式主要有底板岩巷穿层钻孔、顺层平行钻孔、斜交钻孔等。根据我国目前抽采瓦斯现状，结合各煤层开采的实际条件，6 号煤层选用顺层钻孔抽采方式，10 号煤层采用“三花眼”布置方式。3.1.26 号煤开采层瓦斯抽采方法根据上述预测结果可知，6 号煤层开采时回采2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷煤层瓦斯涌出区域采面总涌出量开采层邻近层采空区5 号瓦斯涌出量（m3/min）6.762.642.621.50所占比例（%）100.000.390.390.226 号瓦斯涌出量（m3/min）7.432.922.561.95所占比例(%)100.000.400.340.2610 号瓦斯涌出量（m3/min）26.3115.354.056.91所占比例（%）100.000.590.150.26类别钻孔瓦斯流量衰减系数（d-1）煤层透气性系数（m2/MPa2 d）容易抽采 10可以抽采0.0030.05100.1较难抽采 0.05 0.130工作面开采层瓦斯涌出量较小，工作面配风能够稀释工作面的瓦斯涌出，但结合 6 号煤层原煤瓦斯含量高及贯彻执行国家关于治理瓦斯先抽后采、能抽尽抽的原则需要进行本煤层抽采。根据相邻矿井瓦斯基础参数测定，对 6 号煤瓦斯抽采提出如下方案：从开切眼外 10 m 处开始到停采线结束布置一排平行顺层钻孔，钻孔沿顺槽两侧布置，钻孔间距：5 m；孔向：平行回采工作面；钻孔深度：100 m。6 号煤层开孔位置距煤层底板 0.50.7 m，平面角垂直于顺槽。立面角根据预测剖面确定，避免出现钻孔穿顶或钻底的情况。从开切眼至停采线范围，沿进、回风顺槽布置平行顺层钻孔。3.1.310 号煤开采层瓦斯抽采方法本煤层未卸压抽采法的布孔方式，一般可分为穿层式和顺层式 2 种，10 号煤层平均厚度 6.38 m，对 10 号煤本煤层瓦斯抽采，设计使用以下方式进行钻孔布置，具体为：沿运输顺槽及回风顺槽两侧布置，钻孔采用“三花眼”布置方式，分为上下 2 排打孔，下排钻孔开孔高度 1.3 m；上排钻孔开孔高度 1.6m，采用立体布孔。上排孔垂直煤壁，孔口间距 6 m；下排孔垂直煤壁，孔间距为 6 m，相邻钻孔间的孔口间距为 3 m。钻孔深度：85 m。3.1.4生产采空区瓦斯抽采方法现采采空区抽采最常用的有顺槽上向钻孔抽放法、采空区埋管抽采和采空区插管抽采上隅角瓦斯几种方法，结合张子山煤矿采空区不同时期瓦斯涌出量以及现场井下实际条件，选择采用使用高位钻孔法结合埋管（插管）的方法抽采，当插管瓦斯抽采方法在实施过程中遇到困难难以完成时选取埋管瓦斯抽采方法。3 种方法的具体施工方法如下：1）高位钻孔抽采采空区瓦斯。钻孔设计在本煤层回风顺槽中，在煤层中侧帮布置布置 9 个钻孔，钻孔终孔处于煤层顶板岩层裂隙带中，钻孔直径为 94 mm。10 号煤层的冒落带在顶板之上 25 m 左右，钻孔施工终孔位置在裂隙带，34 m 左右，根据这一原则设计 10 号煤层上向钻孔。钻孔直径：根据实际情况，选取直径为 94 mm，依据具体实施效果，可对钻孔直径进行适当调节。钻孔间距：本矿井打钻工艺不算太成熟，刚开始施工大直径钻孔具有一定难度，故设计94 mm 的钻孔，钻孔间距控制在 500 mm。封孔工艺：带压注浆封孔，岩石段封孔距离超过 2 m。钻孔布置具体参数见表 4，高位钻孔布置工艺图如图 1 所示。表 4回风顺槽上向钻孔布置参数表2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷钻孔编号仰俯角（度）与巷道夹角（度）开孔点距离采煤工作面位置钻孔长度136.942.85068.2235.644.350.570.5334.245.85173.1432.947.351.576.0531.648.95279.1630.350.452.582.3729.051.85385.8827.953.253.589.3926.854.55493.1每组钻孔间距每 9 个钻孔为 1 组，每组间距 20 m图 1高位钻孔布置工艺图312）插管抽采生产采空区瓦斯方法。上隅角瓦斯抽采主要原理是在工作面上隅角形成一个负压区，负压区内瓦斯由抽采管路抽走，解决上隅角涌出瓦斯造成的瓦斯超限。上隅角管路采用6 m 长钢丝骨架胶管与主抽采管路连接，将钢丝骨架胶管插入上隅角，设置挡风帘，提高抽采效果。插管抽采采空区瓦斯方法如图 2 所示。随着工作面推进，拆下前端一段主管路，移动抽采胶管，如此反复。图 2插管抽采采空区瓦斯方法示意图3）埋管抽采生产采空区瓦斯方法。埋管抽采采空区瓦斯的具体方法是，在 10 号煤层回采工作面材料顺槽内预先敷设一条瓦斯抽采管路，每隔 30 m 设置一个连接口，在进入采空区之前，设置管路吸气口，其逐步埋入采空区，抽采采空区瓦斯。为提高采空区瓦斯抽采效果，可在回风巷每隔2030 m 间距预埋立管，预埋立管采用“L”型布置，下段用水泥浇灌，顶部密封，上端 2m 段布置花眼，立管与瓦斯抽采管路连接，随工作面推进后进行抽采，如图 3 所示。3.2回采工作面抽采瓦斯参数6、10 号煤层回采工作面开采层抽采瓦斯主要参数为钻孔位置、钻孔角度、开孔直径、终孔直径、钻孔深度、钻孔间距等，表 5 为 6、10 号煤层回采工作面抽采瓦斯参数。2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷表 5回采工作面抽采瓦斯参数3.3采空区抽采瓦斯参数1）闭墙埋管布置参数。采空区闭墙埋管抽采瓦斯，两面用料石砌墙，石墙厚度不小于 0.3 m，闭墙总厚度为 22.5 m，为了保证密闭性，将巷道煤壁挖出深约 0.30.3（m2）的沟槽，将瓦斯管埋在闭墙上部。2）生产采空区埋管参数与干管连接与管理。在回风巷每隔 2030 m 间距预埋一立管，预埋立管采用“L”型布置，下段用水泥浇灌，顶部密封，上端 2 m段布置花眼，随工作面推进埋入采空区后进行抽采，埋管与抽采干管接处设阀门，孔板流量计和浓度检测口。定期检查抽采管路中的一氧化碳浓度。4结论1）通过对张子山煤矿在煤层回采过程中工作面瓦斯增加的原因进行分析，对 3 种不同来源瓦斯抽采（下转第 37 页）图 3埋管抽采采空区瓦斯方法示意图煤层6 号煤层10 号煤层钻孔位置进、回风顺槽内进、回风顺槽内钻孔角度垂直巷道中线、平行于工作面，立面与煤层倾角一致。“三花眼”布置方式，上排、下排钻孔平行于工作面，立面与煤层倾角一致。开孔直径94mm94mm终孔直径75mm75mm钻孔深度设计钻孔长度为 100m，两侧钻孔相互重叠 20m。设计钻孔长度为 85m，两侧钻孔相互重叠 20m。钻孔间距设计初选钻孔间距 5m，按规范进行验算，符合要求。设计初选钻孔间距 3m，按规范进行验算，符合要求。32（上接第 32 页）可行性进行分析，得到张子山煤矿主要开采 5上、6、10 号煤层，其上部的各采空区与不可采煤层均属于中近距离邻近层，瓦斯含量较小，依靠通风能够稀释邻近层瓦斯，所以本矿井邻近层瓦斯利用采空区瓦斯抽采系统抽采，抽采设计方案只对开采层瓦斯和采空区瓦斯进行瓦斯抽采。2）结合本矿井实际情况，设计了回采工作面的瓦斯抽采方案，确定了开采层和采空区瓦斯抽采参数，从而解决矿井煤层瓦斯对开采过程中的影响，为高瓦斯矿井安全高效开采提供保障。参考文献：1 陈功华，魏泽云，梁道富，等.近距离煤层群高位定向长钻孔瓦斯抽采实践J.矿业安全与环保，2019，46（5）:66-69，74.2 贾晓亮.老厂矿区高位定向长钻孔“以孔代巷”瓦斯抽采技术研究J.矿业安全与环保，2021，48（5）:103-107.3 胡杰，冯康武，孙臣，等.近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采模式探究J.中国安全生产科学技术，2021，17（11）:65-71.4 张志远.腾晖煤业 42200 采煤工作面瓦斯抽采技术研究J.煤矿现代化，2021，30（2）:48-50.5 汪志君.综采工作面邻近层瓦斯抽采技术研究J.能源与节能，2020（10）:118-119，121.6 樊富强.高瓦斯矿井开采层瓦斯抽采方案设计J.内蒙古石油化工，2020，46（9）:35-36.7 董崇泽.高瓦斯矿井两层煤同时开采瓦斯抽采方案设计J.煤炭工程，2016，48（12）:13-16.8 王海军.高瓦斯矿井工作面煤与瓦斯协调开采实践J.能源技术与管理，2017，42（4）:36-38.9 贺福权，王学兵，薛永生.高瓦斯矿井工作面煤与瓦斯协调开采实践J.煤炭科学技术，2017，45（S1）:77-80.作者简介：贾通平（1994-），男，辽宁省大连市人，硕士研究生，2021年毕业于贵州大学矿业工程学院矿业工程专业，现就职于中煤科工集团沈阳研究院有限公司，工程师，长期从事于瓦斯治理工作。（收稿日期：2022-9-18）2.4导水裂隙带高度计算及“三带”高度划分观测 1 号钻孔孔口标高 1 008.686 m，煤层底板标高 653.996 m，裂隙带顶点的孔深 235.49 m（高程773.196 m）。底板埋深为 354.69 m。煤层厚 5.70 m，煤层顶板标高 659.696 m，煤层顶板埋深 348.99 m，裂缝带高度为 113.50 m，见表 6。表 6“三带”高度划分表导水裂隙带高度为：d=式中：d为导水裂隙带最大高度 m；为煤层底板距离孔口垂深（3201 工作面煤层底板标高 653.996m，观测 1 号孔口标高 1 008.686 m，则为 354.69m）；为煤层平均采厚，5.70 m；为导水裂隙带顶点距离孔口垂深，235.49 m。经计算得出导水裂隙带最大高度（含垮落带）d=113.50 m，约为采厚的 19.91 倍。3结论东峰煤矿 3201 工作面“三带”高度观测研究，采用冲洗液消耗量观测和钻孔电视探测等手段完成，对 3201 工作面垮落带、导水裂隙带、弯曲下沉带及地表塌陷高度观测数据进行收集整理，完成了观测1 号孔的观测，取得了可靠的观测数据。最终确定 3201 工作面 3 号煤层垮落带高度为27.08 m，约为采厚的 4.75 倍；裂缝带（含导水裂缝带、垮落带）最大高度为 113.50 m，约为采厚的 19.91倍；弯曲下沉带及地表塌陷带高度 235.49 m。参考文献：1 国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程 M.煤炭工业出版社，2004.2 杨连超.关于山西省煤矿防治水分区管理的思考和建议J.内蒙古煤炭经济，2019（14）：102,111.作者简介：靳银盛（1978-），男，山西陵川人，本科，工程师，研究方向：采矿工程。（收稿日期：2023-2-1）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷名称位置孔深（m）高程（m）高度（m）备注弯曲下沉带及地表塌陷地表0.001 008.686235.49最低点235.49773.196裂隙带导水裂隙带顶点235.49773.19686.42113.50最低点321.91686.776垮落带顶点321.91686.77627.08最低点348.99659.696煤层顶板348.99659.6965.70底板354.69653.99637