蒋家河煤矿ZF202工作面瓦斯综合抽采技术

索永录 刘 超 雷雨龙 杜 兴 王 帅 刘颖凯

(1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西省西安市，710054)



蒋家河煤矿ZF202工作面瓦斯综合抽采技术

索永录1,2刘 超1雷雨龙1杜 兴1王 帅1刘颖凯1

(1.西安科技大学能源学院，陕西省西安市，710054；2.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西省西安市，710054)

针对ZF202工作面瓦斯涌出特征，采前采用顺层钻孔进行本煤层瓦斯预抽，回采期间采用内错顶板巷抽采卸压区瓦斯、上隅角抽采采空区瓦斯等瓦斯综合治理措施。抽采效果检验表明，采前预抽使煤层瓦斯含量从原始含量8.32～8.52 m3/t降为2.527～3.753 m3/t，在回采期间，上隅角瓦斯浓度稳定在为0.31%～0.48%之间，回风巷瓦斯浓度稳定在0.13%～0.24%，瓦斯防治效果明显。

瓦斯抽采 采前预抽 顺层钻孔 上隅角抽采 瓦斯浓度

蒋家河煤矿为高瓦斯矿井，主采4#煤层，赋存稳定。煤系地层为侏罗系中统延安组，全井田分布、结构单一，平均厚度为10 m。煤层抗压强度为21.91～27.22 MPa。煤层开采过程中，由于受采动影响，打破了煤与瓦斯系统原有的平衡，瓦斯解吸致使煤体内部气压升高，工作面瓦斯涌出量变大，影响煤矿安全生产，因此有必要进行合理的工作面瓦斯抽采。煤矿瓦斯抽采方法可分为地面永久抽采和井下移动抽采两种，抽采可分为采前抽采、采中抽采和采后抽采3种，包含本煤层抽采、邻近层抽采和采空区抽采等。本文根据蒋家河煤矿ZF202工作面瓦斯涌出特征，研究相应的抽采方案，并对抽采效果进行检测，从根本上消除瓦斯事故隐患。研究结果对于同类矿井综采工作面瓦斯抽采设计有一定的借鉴意义。

1 ZF202工作面概况

ZF202工作面是二采区第2个回采工作面。地面高程为+983～+1151 m，工作面底板高程为+560～+640 m，埋深343～591 m，煤层倾角4°～7°。工作面采用综采放顶煤工艺，采3 m、放7 m，冒落法管理煤层顶板。进风巷和回风巷长度为1230 m，切眼长度为151 m，进风巷和回风巷设计断面10.2 m2，采用锚网支护，进风巷、回风巷、切眼均沿4#煤层底板布置。根据地勘资料和实测，该区域煤层瓦斯含量较大，根据测定结果，工作面煤层瓦斯含量为8.32～8.52 m3/t。

2 ZF202工作面瓦斯抽采方法

分析蒋家河煤矿煤层地勘资料和矿井生产实践，该区域煤层原始瓦斯含量较高，仅靠通风难以解决瓦斯超限问题。根据煤层赋存条件、瓦斯涌出构成和巷道布置形式，工作面采用以本煤层预抽和边采边抽为主，邻近层、采空区抽采为辅的瓦斯抽采方式。

矿井建立有地面永久瓦斯抽采系统及井下移动瓦斯抽采系统。井下移动瓦斯抽采泵站布置在轨道下山与回风下山之间的联络巷内，主要负责ZF202工作面上隅角瓦斯抽采。地面高负压瓦斯抽采泵站主要负责ZF202工作面本煤层瓦斯预抽，地面低负压抽采泵站主要负责对正在回采的ZF202工作面采空区进行抽采。

2.1 本煤层预抽方案

距离ZF202工作面开切眼200 m处，在回风巷道端的一侧，向开切眼方向每隔6 m施工上下两排平行钻孔,第一排开孔高度1.2 m，第二排开孔高度1.7 m，钻孔平均长度为100 m，钻孔左右间隔0.8 m；在运输巷道端的一侧，向开切眼方向每隔6 m施工上下两排平行钻孔，钻孔平均长度为80 m。在运输巷道和回风巷道距切眼200 m以外的的区域，采用半扇形钻场施工钻孔对ZF202工作面瓦斯进行抽采，钻场间距60 m，两巷道施工的钻场总数是34个，每个钻场包括16个钻孔，钻孔平均长度85 m。ZF202工作面抽采钻孔布置见图1。钻孔采用聚氨酯封孔，封孔深度14 m，封孔管为直径75 mm的PVC管。工作面回采时回风巷及运输巷需要超前支护30 m，为了不影响生产，需提前拆除管路，所以，在靠近工作面切眼30 m内的钻孔用软胶管与抽采管相连，抽采管末端特制一段2～3 m长的短管，短管上做几个变径三通，与靠近工作面的钻孔用软管相连，钻孔报废后再向前移动短管，保持短管始终在抽采管路的末端，以保证工作面的预抽钻孔可以抽取大量的卸压瓦斯，使本煤层预抽取得较好的抽采效果。抽采管路负压为20 kPa，工作面预抽从2015年4月开始抽采，至2015年10月结束，预抽180 d。

图1 ZF202工作面钻场布置示意图

2.2 上隅角抽采方案

在ZF202工作面瓦斯抽采中，为了提高回风巷道上隅角的瓦斯抽采和治理效果，依据蒋家河煤矿现有的矿井条件，采取了骨架风筒的方式，将风筒插入上隅角，使该区域形成一个负压区，避免工作面上隅角局部位置因风流不畅引起瓦斯超限。为保证风筒吸入口处于上隅角的上部，将风筒与木棒绑在一起，用铁丝吊挂在支架上；为提高抽采浓度和抽采效果，上隅角处应采用挡风帘。骨架风筒布置方案见图2。

图2 上隅角骨架风筒布置方案示意图

2.3 内错顶板巷抽采采空区瓦斯

在ZF202工作面施工内错顶板巷，对采空区瓦斯进行抽采。根据ZF202工作面情况，内错顶板巷位于内错回风巷道15～20 m。从回风巷道停采线处开始，使用全断面综合掘进机以10°倾角掘进倾斜起坡，到达距离煤层顶板5 m的位置后，再沿水平方向前进。巷道内采用锚网锁等不燃性的材料支护，进行全断面喷浆。巷道的具体布置见图3。在采空区距离回风巷道5 m左右处开始建造密闭墙，厚度约为1 m，内部采用黄泥充填，整个密闭墙封闭长度为6 m。采用800 mm内径的抽采管预先安装在密闭墙内侧4 m处，距离内错顶板巷底板1.5 m左右处。灌浆管内径为100 mm，距离内错顶板巷底板1.5 m左右。观察管内径50 mm，距离煤层顶板0.2 m处。

图3 内错顶板巷布置图

3 预抽煤层瓦斯量计算

由ZF202工作面的煤层瓦斯基础参数可知， 4#煤层百米钻孔瓦斯涌出量为0.067～0.0684 m3/(min·hm)，平均为0.0677 m3/(min·hm)，钻孔瓦斯流量衰减系数α为0.015～0.019 d-1，平均为 0.017 d-1。

对于煤层瓦斯钻孔来说，其自然涌出特征有两个指标，分别是钻孔瓦斯流量衰减系数α和钻孔初始瓦斯涌出强度q0，q0与α值的关系如式(1)所示：

qt=q0e-αt

(1)

式中：qt——瓦斯自然排放状态下，在t时刻时钻孔的瓦斯涌出量，m3/min；

q0——瓦斯自然排放状态下，在t=0时刻瓦斯涌出量，m3/min；

α——钻孔自然瓦斯流量衰减系数，d-1；

t——钻孔自排瓦斯时间，d。

单孔瓦斯抽采总量如式(2)所示：

(2)

式中：Qt——单孔瓦斯抽采总量，m3。

由式(2)计算得出，当煤层内瓦斯的预抽时间为180 d时，单孔抽采瓦斯总量是5465.71 m3。

4 瓦斯治理效果检测

(1)ZF202工作面共计施工钻孔695个，设计钻孔674个，补孔21个，总进尺57940 m；预抽钻孔按设计施工到位，分布均匀，钻孔间距6 m，对于塌孔已进行及时补孔，符合设计要求，基本无抽采盲区。抽采过程中测得管道的CH4浓度、抽采负压、瓦斯流量变化范围如图4、图5、图6所示，CH4浓度平均为1.7%，抽采负压平均为20 kPa，瓦斯流量平均为40.3 m3/min。

通过计算可知，当煤层内瓦斯预抽时间为180 d时，抽采瓦斯总量为3798668.45 m3。对瓦斯抽采量进行统计，截至2015年10月底，回风巷瓦斯抽采总量为3534721.57 m3，与理论计算值基本相符。

(2)工作面在实施了顺层钻孔瓦斯预抽、上隅角抽采、内错顶板巷抽采之后，本煤层瓦斯含量降为2.527～3.753 m3/t。

图4 抽采管道内不同时刻的CH4浓度变化

图5 抽采管道内不同时刻的负压变化

图6 抽采管道内不同时刻的瓦斯流量变化

(3)在回采期间，上隅角瓦斯浓度稳定在0.31%～0.48%之间，回风巷瓦斯浓度稳定在0.13%～0.24%，现已安全回采322 m，并未出现上隅角、回风巷瓦斯超限等不安全现象。

5 结论

(1)采前采用顺层钻孔进行本煤层瓦斯预抽，回采期间采用内错顶板巷抽采卸压区瓦斯、上隅角抽采采空区瓦斯等瓦斯综合治理措施，效果明显，确保了矿井安全生产。

(2)抽采过程中预抽管道CH4烷浓度平均为1.7%，抽采负压平均为20 kPa，瓦斯流量平均为40.3 m3/min，截至2015年10月底，回风巷瓦斯抽采总量为3534721.57 m3，抽采效果理想。

(3)采前预抽使瓦斯含量从原始含量8.32～8.52 m3/t降为2.527～3.753 m3/t。在回采期间，上隅角瓦斯浓度稳定在0.31%～0.48%之间，回风巷瓦斯浓度稳定在0.13%～0.24%，瓦斯治理效果明显。

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(责任编辑 张艳华)

Comprehensive gas drainage techniques of ZF202 work face in Jiangjiahe Mine

Suo Yonglu1,2, Liu Chao1, Lei Yulong1, Du Xing1, Wang Shuai1, Liu Yingkai1

(1.School of Energy Engineering, Xi'an University of Science and Technology， Xi'an, Shaanxi 710054， China;(2.Key Laboratory of Western Mine and Hazard Prevention, Ministry of Education, Xi'an, Shaanxi 710054, China)

Aiming at the characteristics of gas emission in ZF202 work face in Jiangjiahe Mine, the bedding boring drilling of pre-mining seam was designed for gas pre-drainage of coal seams. Comprehensive control measures for gas drainage and pressure relief area in the internal staggered roof roadway and gas extraction from boreholes in the gob at upper corner were adopted during mining production. Extraction analysis results showed that the gas content of pre-mining drainage decreased from the original content of 8.32～8.52 m3/t to 2.527～3.753 m3/t. The gas content in upper corner was stably 0.31%～0.48%, the gas concentration distribution in roadway was 0.13%～0.24%, and the effect of gas control was obvious.

gas extraction, pre-mining drainage, bedding boring, drainage in upper corner, gas concentration

国家自然科学基金项目(51474173，51204133)

索永录，刘超，雷雨龙等. 蒋家河煤矿ZF202工作面瓦斯综合抽采技术[J].中国煤炭，2017,43(7)：143-146. Suo Yonglu, Liu Chao, Lei Yulong, et al. Comprehensive gas drainage techniques of ZF202 work face in Jiangjiahe Mine [J]. China Coal, 2017，43(7):143-146.

TD712.6

A

索永录(1960-)，男，陕西宝鸡人，教授，博士生导师，主要从事综采放顶煤和系统工程等研究工作。