煤矿瓦斯综合抽采技术及应用

时间：2024-07-28

王剑光

（山西中煤潘家窑煤业有限公司，山西省朔州市，036000）

随着煤矿开采机械化水平的提高，以及特厚煤层一次采全高技术和综采放顶煤技术的大面积推广应用，工作面推进速度越来越快，产量越来越高，加之随着矿井开采向深部的延伸，煤层瓦斯含量越来越高，造成我国部分矿区工作面瓦斯涌出量急剧增加。对于煤与瓦斯突出煤层，还需要在开采前进行瓦斯抽采消除其突出危险性。然而单一的瓦斯抽采方式抽采能力有限，且在时间、空间上不能贯穿工作面瓦斯抽采的整个过程，单一的瓦斯抽采方法无法保证工作面的安全开采，因此，大至矿井，小至采掘工作面，在瓦斯抽采手段的运用上必须坚持多措并举的思想，进行矿井的综合瓦斯抽采，确保矿井的运行安全。

1 煤矿瓦斯综合抽采的内涵

煤矿瓦斯抽采方法很多，根据不同的划分原则，瓦斯抽采方法有多种分类方法。以煤层开采时间划分，分为采前抽采、采中抽采和采后抽采。以瓦斯抽采对象划分，分为本煤层抽采、邻近层抽采、回采工作面抽采、掘进工作面抽采和采空区抽采。以抽采方式划分，分为钻孔抽采（顺层钻孔和穿层钻孔）、地面钻井抽采、巷道抽采和埋管抽采等。煤矿瓦斯综合抽采及各种抽采方法的相互关系如图1所示。

图1 煤矿瓦斯的综合抽采及各种抽采方法的关系

并不是将上述所有抽采方式集中在一个矿井使用才称为煤矿综合瓦斯抽采。对于一个矿井、一个煤层而言，不可能通过单一的瓦斯抽采方法解决矿井瓦斯问题。应结合煤层地质、瓦斯赋存等条件，通过技术方案论证，择优选定几种抽采方法进行有机组合对煤层进行综合的瓦斯抽采，实现煤矿瓦斯抽采的最大化。通过煤矿瓦斯的综合抽采，使得抽采效果满足工作面采前、采中、采后各时间段的瓦斯抽采考核要求，最终确保工作面的安全采掘，实现高瓦斯突出矿井的安全高效生产。

2 煤矿瓦斯综合抽采的作用及考核指标

综合瓦斯抽采方法是采前、采中和采后各阶段多种有效抽采方法的有机组合。通过采前区域性瓦斯抽采，可有效降低煤层瓦斯含量和压力，消除煤层的突出危险性。采前抽采要求将煤层瓦斯压力或含量降至始突深度处瓦斯压力或含量，若没能考察出始突深度的煤层瓦斯压力或含量，则需要将煤层瓦斯压力降至0.74 MPa以下或将瓦斯含量降至8m3／t以下。在工作面开采过程中，通过采中瓦斯抽采降低涌入开采工作面的瓦斯量，控制工作面回风流及上隅角瓦斯浓度，提高工作面瓦斯抽采率，确保工作面的开采安全。当工作面瓦斯涌出量主要来自邻近层时采用工作面瓦斯抽采率来衡量采中瓦斯抽采效果，当工作面瓦斯涌出量主要来自本煤层时采用开采煤层可解吸瓦斯含量来衡量采中瓦斯抽采效果。在工作面开采结束后，密闭采空区，加强对采空区及顶底板裂隙内高浓度瓦斯的抽采，并加以综合利用，进而提高矿井瓦斯抽采率和瓦斯利用率，采后抽采目前还没有明确的瓦斯抽采考核要求。

通过工作面的采前、采中和采后抽采，实现煤矿瓦斯的综合抽采，综合抽采效果采用矿井总回风瓦斯浓度及矿井瓦斯抽采率来衡量。瓦斯综合抽采作用及考核指标见表1。各瓦斯抽采的考核指标是瓦斯抽采的最低要求，综合瓦斯抽采的最终目标是在满足最低瓦斯抽采要求的基础上实现矿井瓦斯抽采的最大化，保证矿井具备较高的安全开采水平。

3 煤矿瓦斯综合抽采的技术途径

煤矿瓦斯的综合抽采是通过分别对回采工作面的采前、采中和采后的抽采来实现的，具体方法如表2所示。采前抽采主要目的是降低煤层瓦斯压力和含量，消除其突出危险性。对于单一煤层，采用预抽煤层瓦斯技术，具体的抽采方式包括穿层钻孔结合顺层钻孔瓦斯抽采法、顺层长钻孔递进掩护瓦斯抽采法、千米钻机顺层长钻孔瓦斯抽采法、地面钻井抽采法等措施。我国的大多数煤层透气性系数很低，要求抽采钻孔的间距不能过大，在淮南、淮北地区，抽采煤巷条带的穿层钻孔间距一般为5～8 m，抽采工作面煤体的顺层钻孔间距一般为3～5m；而千米钻机顺层长钻孔抽采方式对煤层赋存要求较高，该方法在山西晋城地区应用较好；而对于煤层群开采条件，则应优先采用保护层开采及卸压瓦斯抽采技术，卸压瓦斯抽采方法主要包括底板岩巷网格式穿层钻孔抽采法和地面钻井瓦斯抽采法。

采中抽采是为了确保工作面的开采安全，其抽采方式与工作面通风方式有关。对于U 型通风工作面，抽采方式包括顶板走向穿层钻孔抽采法、采空区埋管抽采法、采空区插管抽采法、地面钻井抽采法等抽采方式；对于Y 型通风工作面，抽采方式包括沿空留巷穿层钻孔抽采法、沿空留巷埋管抽采法、地面钻井抽采法等抽采方式。而对于工作面瓦斯涌出量在30 m3／min 以上的高瓦斯工作面，不论何种通风方式，均可采用走向高抽巷法进行瓦斯抽采，在具有外错尾巷的工作面还可采用倾斜高抽巷法和大直径倾斜钻孔法进行瓦斯抽采。

采后抽采是对密闭采空区及顶部裂隙内的瓦斯进行抽采，主要作用是为了提高矿井瓦斯抽采率和提高矿井瓦斯利用量，主要方法包括地面钻井抽采法、井下穿层钻孔抽采法和密闭埋管抽采法等。

表1 瓦斯综合抽采作用及考核指标

表2 综合瓦斯抽采的技术方法及适用条件

4 综合抽采的应用实例

祁南煤矿为煤与瓦斯突出矿井，核定生产能力240万t／a，主采3＃、7＃和10＃煤层，6组煤为局部可采煤层，其中7＃煤层和3＃煤层均为煤与瓦斯突出煤层，曾发生多次煤与瓦斯突出动力现象，在标高-550m处测定的最大瓦斯压力为3.5 MPa，瓦斯含量为12.4m3／t；3＃煤层目前开采最深采区（标高-550～-800 m）瓦斯压力为2.0～4.76 MPa，瓦斯含量为8.7～11.57m3／t；10＃煤层、6组煤无突出危险，6 组煤包括61＃、62＃、63＃煤层。根据2010年瓦斯等级鉴定结果，矿井总的相对瓦斯涌出量为13.55 m3／min，绝对瓦斯涌出量为66.43m3／min。矿井现有地面永久抽采系统一套，井下移动抽采系统两套。根据采前抽采、采中抽采、采后抽采的划分原则，祁南煤矿矿井综合瓦斯抽采如图2所示。

图2 祁南煤矿综合瓦斯抽采框图

4.1 采前瓦斯抽采

在6组煤可采区域，采用保护层开采技术利用底板岩巷网格式上向穿层钻孔法抽采7＃煤层瓦斯，该方法可有效降低煤层瓦斯含量，彻底消除煤层的突出危险性；在6组煤不可采区域，利用底板岩巷网格式穿层钻孔抽采煤巷条带瓦斯，掩护煤巷的安全掘进，采用顺层钻孔抽采工作面开采区域瓦斯，消除工作面煤层的突出危险性，工作面实现了安全高效开采。

对于3＃煤层，煤层赋存稳定，随着开采深度的增加煤层瓦斯压力和含量逐渐加大，-550m 标高以深为突出危险区。由于煤层硬度较高，便于施工顺层长钻孔，在突出危险区的浅部（-550～-650m）采用顺层长钻孔递进掩护区域性瓦斯抽采方法，该方法已经在采区内推广应用了3～4个工作面，应用效果良好，有效降低了煤层瓦斯含量和压力，确保了工作面的安全高效采掘作业。煤巷平均掘进速度在300m／月以上，产量在15万t／月以上。对于突出危险区的深部区域（-650m 以深），煤层瓦斯压力和含量进一步加大，突出危险性进一步增大，从钻孔施工的安全性及瓦斯治理的效果方面考虑，将瓦斯治理方案调整为穿层钻孔结合顺层钻孔的瓦斯抽采方法，穿层钻孔抽采煤巷条带瓦斯，掩护煤巷的安全掘进，顺层钻孔抽采工作面区域瓦斯，保证工作面的开采安全。

7＃煤层和3＃煤层的采前抽采效果见表3，通过采前抽采，煤层的瓦斯压力降至0.74 MPa以下，煤层瓦斯含量降至8 m3／t以下，消除了煤层的突出危险性。6＃、10＃煤层由于本煤层瓦斯较小，不需要进行采前瓦斯抽采。

4.2 采中瓦斯抽采

采中瓦斯抽采主要是为了防止工作面上隅角瓦斯超限，确保工作面的安全生产，对于U 型通风工作面，最常用的为顶板走向穿层钻孔抽采方法和采空区埋管抽采方法，在10＃煤层、7＃煤层、61＃煤层和3＃煤层工作面开采过程中都得到了很好的利用。在瓦斯涌出量大的7＃煤层和3＃煤层工作面还采用了上隅角插管瓦斯抽采方式，714工作面在开采过程中采用了井下水平长钻孔瓦斯抽采方法，获得了良好的效果。为提高采空区瓦斯抽采效果，在3＃煤层工作面，将采空区埋管抽采改为采空区长立管瓦斯抽采，采空区瓦斯抽采效果显著增加。其他预抽措施的抽采工程在煤层开采过程中继续发挥作用，在采动作用下进一步抽采煤层瓦斯，有效降低工作面瓦斯涌出量。