大采高综采面高瓦斯综合治理技术优化研究

刘晓辉

（吕梁市煤矿通风与瓦斯防治中心，山西 吕梁 033000）

高瓦斯矿井采用大采高综采工艺，回采时容易引起工作面瓦斯超限，带来瓦斯突出、爆炸等风险。瓦斯的高效抽放治理是高瓦斯煤矿安全高效开采的前提。厚及特厚煤层采用大采高综采时，工作面短时间内释放大量瓦斯，同时工作面来压时垮落顶板挤压采空区使得工作面极易产生瓦斯超限现象[1]。回采工作面瓦斯赋存的应力环境十分复杂且受采动影响[2-3]，现有瓦斯治理技术间的不匹配影响，已有研究成果的应用受到限制，瓦斯治理效果不理想，有关瓦斯运移储运理念和综合治理技术需进一步研究。

本文以山西寨崖底煤矿901工作面为研究对象，采用理论分析研究了瓦斯运移和储运规律，提出由U+I型通风、顺层抽采和高抽巷抽采组成的瓦斯综合治理和协同优化技术。以期实现瓦斯高效抽放，提高工作面安全性，为类似瓦斯治理提供参考。

1 生产地质条件

山西寨崖底煤矿属于高瓦斯矿井，主采9号煤层平均厚度5.51m，上方31.49m处为4号煤层，煤层厚度为0.56m，瓦斯含量为5.42m3/t；上方37m处为3号煤层，煤层厚度为1.29m，瓦斯含量为5.08m3/t；下方9.05m处为10号煤层，煤层厚度为0.3m，瓦斯含量约为5m3/t。901工作面采用大采高综采工艺，循环进度0.8m，日进尺5.6m。

根据分源法901大采高综采工作面瓦斯相对涌出量为16.55m3/t，工作面日产8000t/d时的绝对瓦斯涌出量预计91.94m3/min，现场工作面日产量8153.6t/d，即绝对瓦斯涌出量预计达93.71m3/min。工作面采用常规一进一回布置通风系统，回采中极易导致局部瓦斯超限和瓦斯爆炸风险。因此，必须采取有效的综合抽采瓦斯治理措施。

2 采动卸压瓦斯运移规律研究

采动卸压瓦斯来源：一是开采煤层本身的卸压瓦斯；二是开采层周围煤系地层（邻近层）中的卸压瓦斯[4]。9号煤层的开采会破坏本煤层及邻近煤层应力平衡，使得应力重新分布，煤层回采后将进一步引起顶板破坏塌落，在煤层上方形成裂隙带和垮落带，给瓦斯的运移提供了良好的应力环境和通道，瓦斯的运移和储集如图1所示。

图1 瓦斯的运移与储集

9号煤层开采后，在顶板上方12.25～51.92m处形成大量离层裂隙，为瓦斯的存储提供了空间，9号煤层开采后形成低压区，10号、12号和13号煤层中积聚瓦斯将以9号煤层采空区为积聚场所，通过回采形成裂隙通道向9号煤层汇集，形成瓦斯富集区域。

3 瓦斯综合治理技术优化

高瓦斯矿井为减少瓦斯威胁，可采用以下技术路径：（1）增大瓦斯稀释排放，对于回采中涌入工作面的瓦斯可以采用增大供风，减小巷道通风系统阻力；（2）积极采取预抽采和抽采，在煤层中布置抽采钻孔、管路和专门的抽采巷道，来减少涌入工作面的瓦斯总量；（3）预防监测，对工作面瓦斯实时监测，预防发生瓦斯突出及冲击地压。

901大采高综采工作面具体的瓦斯治理技术措施为：

（1）采用U+I型通风系统；

（2）顺层钻孔抽采本煤层瓦斯；

（3）顶板走向高抽巷抽采瓦斯。

3.1 采用U+I型通风系统

通过现场实测发现，9号厚煤层采用大采高综采时极易出现短时内瓦斯大量涌出现象。这是因为煤层厚度大，剥落的煤层中大量瓦斯瞬时被释放，同时邻近煤层瓦斯通过裂隙带通道进入本煤层，针对邻近层瓦斯涌出、本煤层瓦斯涌出情况，工作面布置内错瓦斯尾巷一进两回U+I型通风方式，如图2所示。

901工作面运输巷和轨道巷分别作为进风巷和回风巷，同时在靠近回风巷、煤层中布置内错尾巷作为回风巷。内错尾巷可以减小上隅角风压，充分抽采该处积聚瓦斯，同时控制煤层及邻近层瓦斯涌入。

图2 901工作面U+I型通风系统图

3.2 顺层钻孔抽采本煤层瓦斯

如图3所示，布置顺层钻孔抽采本煤层瓦斯[5]，主要由预先采和正常采两个阶段。预先采是指在工作面顺槽完成掘进支护后即布置本煤层抽采钻孔和抽采管路，进行回采前煤层的抽放。正常采是指工作面开始回采，未破坏的本煤层钻孔随回采进行卸压带内瓦斯抽放，一般抽放点超前工作面30～40m以此来减少工作面瓦斯涌出量。

图3 本煤层钻孔布置示意图

钻孔布置：工作面倾斜长度为220m，钻孔间距2m，距离回风巷底板1.5～2m，孔深120m，孔径Φ98mm。钻孔采用EH1400-60履带式全液压坑道钻机施工，均用Φ98mm大直径钻头施工，使用聚胺脂封孔，使封孔深度达到8～10m，同时布置管路作为抽采出的瓦斯运移通路。

3.3 顶板走向高抽巷抽采瓦斯

设计顶板走向高抽巷长度为1066m，前30m为大断面掘进，后1036m为小断面掘进。高抽巷开口沿高抽准备巷平掘30m，以10°的坡掘进112.1m至K4石灰岩，沿K4石灰岩下部岩层掘进923.9m至后高抽巷。平行工作面顺槽布置，其中距回风巷水平50m，矩形断面尺寸为2.5m×2.4m，锚网索支护。布置的高抽巷用于预抽采本煤层顶板裂隙带及邻近煤层中瓦斯，减少工作面瓦斯涌出量。

结合山西寨崖底煤矿条件，实施瓦斯综合治理技术，对9号煤瓦斯涌出情况测定，得到风排瓦斯量Qg、瓦斯涌出量Qh和抽采率，进行运移规律分析和治理效果评价。

（1）风排瓦斯量Qg，m³/min：

式中：

Q-风量，m³/min；

C-风流中平均瓦斯浓度，%。

（2）瓦斯涌出量Qh，m³/min：

式中：

k1-围岩瓦斯涌出系数；

k2-工作面丢煤瓦斯涌出系数；

k3-采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数；

m-开采层厚度，m；

M-工作面采高，m；

w0-煤层原始瓦斯含量，m3/t；

wc-运出矿井后煤的残存瓦斯含量，m3/t。

（3）抽采率

式中：

Qkc-当月矿井平均瓦斯抽采量m³/min；

Qkf-当月矿井风排瓦斯量m³/min；。

4 工作面瓦斯综合防治效果分析

2017年1月2日至2017年2月27日期间，901工作面进行了工业性试验，选取15d实测数据如表1所示。

将实测数据带入式1～式3计算后分析得到如图4所示瓦斯变化：在正常回采阶段配风量为3078m3/min，回风巷、尾巷瓦斯平均浓度分别为0.265%和 0.833%，平均风排瓦斯量14.638m3/min左右，工作面绝对瓦斯涌出量平均为94.751m3/min。按工作面绝对瓦斯涌出总量最大值132.019m3/min计算，工作面的平均瓦斯抽采总量109.976m3/min，平均瓦斯抽采率为83.3%≥70%，满足采煤工作面瓦斯抽采率的规定，可见提出的瓦斯综合治理措施有效。

表1 正常回采期间901工作面瓦斯实测表

图4 901工作面正常回采期间瓦斯变化

5 结论

（1）受高强度回采影响，高瓦斯大采高综采工作面在离层裂隙中易形成瓦斯富集区域，引起瓦斯超限。

（2）针对瓦斯赋存特征和运移规律，提出U+I型通风、顺层钻孔抽采本煤层瓦斯和走向高抽巷抽采的综合治理技术，旨在增强采空区、本煤层和顶板裂隙带内瓦斯抽放效果。

（3）现场实测表明采用综合治理技术后工作面瓦斯浓度、绝对瓦斯涌出量减小，瓦斯抽采量、抽采率明显增大，瓦斯超限得到有效控制。