王家岭煤业18104工作面瓦斯治理技术实践

刘兆宇

（山西王家岭煤业有限公司，山西 忻州 034000）

1 工程概况

晋能控股煤业集团有限公司王家岭煤矿位于山西省保德县南部，矿井面积34.447 1 km2，批准开采4#～9#煤层，生产规模5.0 Mt/a。18104工作面北部为石塘村、石塘河保护煤柱，南部73 m为井田边界，西部为18106回采工作面，东部为18102采空区。工作面回采4#煤层，地面标高+1 044.5～+1 126.1 m，工作面标高+547～+610 m，工作面走向长度为1 612.6 m，工作面长度为300 m。18104综采工作面采用两进一回“U”型通风方式，18104胶带顺槽、18106回风顺槽进风，18104回风顺槽回风。18104工作面及通风系统布置情况如图1所示。

18104工作面4号煤层瓦斯参数：煤层透气性系数为0.778 m2/MPa2·d，瓦斯原始含量4.7 m3/t，钻孔瓦斯流量衰减系数0.05 d-1，百米钻孔初始瓦斯涌出强度0.456 m3/min·100 m。

2 本煤层瓦斯抽采可行性及必要性

山西王家岭煤业有限公司为高瓦斯矿井，根据《王家岭煤业有限公司4#煤层一采区瓦斯基本参数》测定报告，该矿4#煤层透气性系数为0.778 m2/MPa2·d，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.05 d-1。根据瓦斯抽采难易程度指标判定18104回采工作面本煤层抽采难易程度为可以抽采。

根据山西王家岭煤业一通三防部提供的资料，依据《矿井瓦斯涌出量预测方法》（AQ1018-2006），结合王家岭煤业18104回采工作面具体采矿条件，对王家岭煤业18104工作面回采期间瓦斯涌出量进行预测，得出：绝对瓦斯涌出量39.28 m3/min，该数值远大于《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的必须进行瓦斯抽采的数值5 m3/min。另外经计算，18104工作面最大绝对瓦斯涌出量39.28 m3/min也大于风排瓦斯量回采工作面q通=3000×0.8/1.3/100=18.64 m3/min。因此，18104工作面必须进行瓦斯抽采。

3 18104工作面瓦斯抽采方案

基于王家岭煤业的实际情况，18104工作面瓦斯抽采方案主要以本煤层瓦斯预抽为主，回采过程中采用高位定向钻孔抽采采空区瓦斯[1-5]。

3.1 本煤层钻孔预抽方法

在18104工作面胶带顺槽自开切眼至工作面回撤通道范围内分两段施工本煤层钻孔，第一段为在18104工作面胶带顺槽切眼至回采里程102 m范围内，施工本煤层平行钻孔，钻孔间距5 m，钻孔长度为280 m，预计需施工20个本煤层钻孔；第二段为在18104工作面胶带顺槽回采里程102～1717 m范围内，施工本煤层倾斜平行钻孔，钻孔间距5 m，钻孔长度为298 m，预计需施工323个本煤层钻孔。两段合计施工343个钻孔。钻孔技术参数见表1，抽采钻孔布置如图2所示。

图2 本煤层预抽钻孔布置示意图

3.2 本煤层瓦斯预抽钻孔指标

3.2.1 吨煤钻孔量

根据《煤矿瓦斯抽采规范》（AQ1027-2006）规定，吨煤钻孔量的要求如表2所示。经计算18104工作面吨煤钻孔量为0.024 m/t。王家岭煤矿4#煤属于可以抽采煤层，按照本设计方案，吨煤钻孔量符合规定。

表2 吨煤钻孔量表 （单位：m/t）

3.2.2 预抽钻孔抽采时间及抽采量

根据瓦斯基础参数，百米钻孔初始瓦斯涌出量为0.456 m3/（min·hm），钻孔流量衰减系数0.05 d-1，5个月内钻孔抽采有效系数为99%。

因此，本煤层预抽5个月时抽采量可以达到自然衰减量的99%，再增加抽采时间，抽采瓦斯量增加效果不明显，所以抽采时间达到5个月能够满足抽采的需要。18104工作面煤炭储量为419.5万t，考虑瓦斯抽采不均衡性，预抽工作面回采区域时，5个月抽采时间内，经计算，18104工作面吨煤抽采量为2.66 m3/t。

18104工作面回采范围内实测原始煤层最大瓦斯含量4.70 m3/t，预抽后煤层残余瓦斯含量可降低至2.04 m3/t，预抽后煤层可解析瓦斯含量可降低至1.18 m³/t，小于《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》规定的临界值4 m³/t。

3.2.3 钻孔预抽瓦斯量

钻孔累计进尺101 854 m，经计算单孔（孔深55 m）5个月内累计抽采量为2164 m3，上述本煤层预抽钻孔5个月内平均预抽瓦斯量18.55 m3/min。

3.3 高位定向钻孔抽采采空区瓦斯

18104工作面最大绝对瓦斯涌出量预测值为39.28 m³/min，根据《山西王家岭煤业有限公司4#煤层地面固定瓦斯抽采系统工程初步设计变更》报告，围岩及采空区丢煤涌出瓦斯量为预测瓦斯涌出量的30%，即11.78 m³/min，修正后的邻近层瓦斯涌出量为7.56×0.63=4.76 m³/min。现采空区抽采量为围岩及采空区丢煤涌出瓦斯量预测值的30%，11.78×0.3=3.53 m³/min，邻近层抽采量为邻近层预抽涌出量的50%，4.76×0.5=2.38 m³/min，18104工作面采空区瓦斯抽采总量为3.53+2.38=5.91 m³/min。

3.3.1 钻场布置

18104工作面回风顺槽计划布置4个钻场，钻场形状为“梯形”，钻场沿巷道底板布置，内宽9 m，外宽12 m，深5.5 m，与巷道同高。钻场自南向北依次编号为1号～4号，其中1号钻场距离工作面切眼257 m，2号钻场距离工作面切眼706 m，3号钻场距离工作面切眼1149 m，4号钻场距离工作面切眼1584 m。

3.3.2 钻孔层位

钻孔层位控制在距4#煤层顶板20～50 m范围，且每个钻场钻孔层位应根据前一个钻场钻孔抽采情况及时调整，具体层位以每个钻场高位钻孔设计为准。钻孔内错回风顺槽距离控制在10～35 m范围内，且每个钻场钻孔层位应根据前一个钻场钻孔抽采情况及时调整，具体位置以每个钻场高位钻孔设计为准。

3.3.3 钻孔孔径和数量

18104工作面高位钻孔孔径均为Ф203 mm，高位钻孔数量计算结果见表3。

表3 高位钻孔数量计算结果表

根据上述计算，18104工作面施工Ф203 mm高位钻孔时，每个钻场需至少布置3个钻孔，如图3所示。

图3 18104工作面高位定向钻孔布置示意图

3.3.4 钻孔进尺

18104工作面共布置4个钻场，1#钻场钻孔进尺平均约774 m，2#钻场钻孔进尺平均约1404 m，3#钻场钻孔进尺平均约1389 m，4#钻场钻孔进尺平均约1368 m，18104工作面高位钻孔总进尺约4935 m。

3.3.5 抽采支管路直径选择

18104回风顺槽计划敷设一趟抽采管路，服务于18104工作面高位钻孔瓦斯抽采，管路抽采量计算及管径选择见表4。

表4 管路抽采量计算及管径选择表

4 瓦斯治理效果

18104工作面于2020年10月开始实施瓦斯抽采，经过5个月的瓦斯预抽，18104工作面开始回采。在18104工作面初采的5个月时间内，瓦斯涌出量为39.28 m3/min，本煤层瓦斯预抽量为8.2 m3/min，高位钻孔抽采量为28.3 m3/min，抽采效果较好。到目前为止，18104工作面未出现瓦斯超限现象，上隅角瓦斯浓度始终低于0.5%，瓦斯抽采效果非常理想，保障了18104工作面开采的安全性。