李 恒

（山西三元煤業(yè)股份有限公司下霍煤礦，山西 長治 046000）

我國煤與瓦斯突出事故約占煤礦事故總數(shù)的62%[1-3]。受地質(zhì)構(gòu)造影響，我國各大礦區(qū)地質(zhì)條件存在較大差異，導(dǎo)致礦井瓦斯賦存、聚集情況大不相同?？茖W(xué)準(zhǔn)確地對瓦斯來源及瓦斯涌出量進(jìn)行分析和預(yù)測，是制定針對性瓦斯治理措施和確保瓦斯治理效果的關(guān)鍵因素[4]。李景潤等通過對上隅角瓦斯聚集原因的分析，采用上插管抽采技術(shù)有效治理了文家坡煤礦4105綜放工作面上隅角瓦斯聚集問題[5]。任彥文等基于對回采面瓦斯涌出源和上隅角瓦斯來源的分析，采用頂板高位鉆孔和埋管抽采對鎮(zhèn)城底礦22618工作面瓦斯進(jìn)行治理，取得了較好效果[6]。王磊基于對工作面瓦斯涌出特征的分析，提出了抽采巷穿層鉆孔和埋管抽采的瓦斯綜合治理措施，有效降低了上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)[7]。上述研究成果為回采工作面瓦斯治理提供了一定的借鑒和參考，但不同礦區(qū)瓦斯賦存特征各有不同，瓦斯治理需根據(jù)礦井實(shí)際條件進(jìn)行調(diào)整。以山西三元煤業(yè)股份有限公司下霍煤礦（簡稱“下霍煤礦”）2308綜放工作面為研究對象，對工作面回采期間瓦斯來源進(jìn)行分析，提出采用“裂隙帶高位鉆孔抽采+上隅角埋管抽采”瓦斯綜合治理措施對下霍煤礦2308綜放工作面回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)高及上隅角瓦斯聚集問題進(jìn)行治理，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供了保障。

1 工程概況

下霍煤礦現(xiàn)開采3#煤層，開采標(biāo)高為+720～+390 m，生產(chǎn)規(guī)模為240 萬t/a。礦井采用分區(qū)式通風(fēng)方式，機(jī)械抽出式通風(fēng)方法。3#煤層厚度3.68～6.75 m，平均厚度5.21 m。2308 綜放工作面位于3#煤層二采區(qū)，東為2306工作面采空區(qū)，東南為2307工作面采空區(qū)，北鄰三采區(qū)3301工作面。2308工作面煤層平均厚度5.0 m，傾角0～12°，工作面沿煤層走向布置，工作面切眼長204.8 m，工作面回采長度646 m。3#煤層百米鉆孔初始瓦斯流量為0.067 5 m3/（min·hm），透氣性系數(shù)為0.288 m2/（MPa2· d），瓦斯流量衰減系數(shù)為0.040 1 d-1，2308 工作面采用U 型通風(fēng)方式，未布置高抽巷及尾巷。

2308 工作面直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，平均厚度2.97 m；基本頂為各種粒度砂巖，平均厚度5.86 m；老頂為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，平均厚度為11.72 m；直接底為泥巖、砂質(zhì)泥巖，平均厚度0.70 m；老底為細(xì)粒砂巖、粉砂巖，平均厚度為3.36 m。2308 工作面煤層及其頂?shù)装寤厩闆r見表1。

表1 2308工作面頂?shù)装寤厩闆r頂?shù)装?/p>

2308工作面割煤高度2.8 m，放煤高度2.2 m，采放比1.22∶1。受綜放開采割煤高度的影響，工作面放頂煤期間，頂煤的快速垮落導(dǎo)致煤巖體內(nèi)部大量瓦斯等有毒有害氣體涌出，造成工作面回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限及上隅角瓦斯聚集，嚴(yán)重制約了工作面回采安全。

2 工作面瓦斯涌出量分析

在對綜放放頂煤工作面瓦斯涌出量預(yù)測時(shí)通常采用相對瓦斯涌出量qc進(jìn)行表達(dá)，主要由四部分組成：割煤瓦斯涌出量q1、放頂煤瓦斯涌出量q2、采空區(qū)瓦斯涌出量q3及鄰近層瓦斯涌出量q4[3]。因此，以24 h為一個(gè)預(yù)測單元，回采工作面相對瓦斯涌出量可通過式（1）進(jìn)行計(jì)算：

2.1 割煤相對瓦斯涌出量

割煤相對瓦斯涌出量可通過式（2）進(jìn)行計(jì)算[8]：

式中，K1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取1.3；K2為采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對開采層瓦斯涌出影響系數(shù)；L為工作面長度，取204.8 m；h為掘進(jìn)巷道預(yù)排等值寬度，取15.4 m，得K2=0.85；Kfi為分層開采第i 分層瓦斯涌出影響系數(shù)，取決于煤層分層數(shù)量和順序，若無分層開采該值取1，2308工作面無分層開采，Kfi=1；m1為割煤高度，取2.8 m；M為開采煤層厚度，取5.0 m；W0為回采前煤體瓦斯含量，取4.90 m3/t；Wc為運(yùn)出礦井后煤的殘存瓦斯含量，取2.43 m3/t。將上述數(shù)據(jù)代入式（2）計(jì)算可得2308工作面割煤相對瓦斯涌出量q1=1.53 m3/t。

2.2 放頂煤相對瓦斯涌出量

放頂煤相對瓦斯涌出量可通過式（4）進(jìn)行計(jì)算[8]：

式中，K3為放落煤體破碎度對放頂煤瓦斯涌出影響系數(shù)，取0.9；m2為放頂煤高度，取2.2 m。將上述數(shù)據(jù)代入式（4）可得放頂煤相對瓦斯涌出量q2=1.08 m3/t。

2.3 采空區(qū)相對瓦斯涌出量

采空區(qū)相對瓦斯涌出量可通過式（5）和（6）進(jìn)行計(jì)算[5]：

式中，K4為留煤瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.5；K5為綜放工作面平均回采率，Kj為機(jī)采回采率，取0.95；Kf為放頂煤回采率，取0.90，將上述數(shù)據(jù)代入式（5）計(jì)算可得采空區(qū)相對瓦斯涌出量q3=0.27 m3/t。

2.4 鄰近層相對瓦斯涌出量

鄰近層相對瓦斯涌出量可通過式（7）和（8）進(jìn)行計(jì)算[5]：

式中，mi為第i個(gè)鄰近層煤層厚度，m；M為工作面采高，m；Woi為第i個(gè)鄰近層煤層原始瓦斯含量，m3/t；Wci為第i鄰近層煤層殘存瓦斯含量，m3/t；ηi為鄰近層瓦斯排放率，%；hi為第i個(gè)鄰近層與開采層垂直距離，m；根據(jù)下霍煤礦生產(chǎn)實(shí)際，上述各計(jì)算參數(shù)取值及2308工作面鄰近層相對瓦斯涌出量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 開采層影響范圍內(nèi)鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，2308工作面割煤瓦斯涌出q1=1.53 m3/t，放頂煤瓦斯涌出量q2=1.08 m3/t，采空區(qū)瓦斯涌出量q3=0.27 m3/t，鄰近層瓦斯涌出量q4=0.25 m3/t，則根據(jù)式（1）計(jì)算可得2308 工作面日產(chǎn)量6 979 t 時(shí)，相對瓦斯涌出量qc=1.53 m3/t+1.08 m3/t+0.27 m3/t+0.25 m3/t=3.13 m3/t，絕對瓦斯涌出量為15.17 m3/min。

3 瓦斯治理方案設(shè)計(jì)

通過分析2308工作面瓦斯涌出源及涌出量可知，割煤瓦斯相對涌出量為1.53 m3/t，占工作面瓦斯總涌出量的48.88%；放頂煤瓦斯涌出量為1.08 m3/t，占工作面瓦斯總涌出量的34.50%?？梢?，割煤和放頂煤是2308工作面瓦斯涌出的主要來源，這也是導(dǎo)致工作面回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限和上隅角瓦斯聚集的主要原因?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，設(shè)計(jì)采用“頂板高位鉆孔抽采為主、上隅角埋管抽采為輔”的工作面瓦斯綜合治理措施。

3.1 頂板高位鉆孔瓦斯抽采

為解決開采煤層瓦斯涌出問題，在2308工作面回風(fēng)順槽內(nèi)每隔50 m施工一個(gè)頂板裂隙帶鉆場硐室，尺寸為3 m×2.4 m×3 m（寬×高×深），每個(gè)鉆場內(nèi)布置5個(gè)鉆孔，孔間距為800 mm，鉆孔呈扇形布置，開孔位置距巷幫1 200 mm，孔徑110 mm，孔深60 m。頂板高位鉆孔布置如圖1所示。

圖1 頂板高位鉆孔布置圖

3.2 上隅角插管抽采

針對2308工作面上隅角瓦斯積聚問題，設(shè)計(jì)采用上隅角采空區(qū)插管抽采的方法進(jìn)行針對性治理。插管選用直徑220 mm 的鐵花管，插入工作面上隅角位置，且保證插管深度不小于2 m，并采用沙袋和黃泥對上隅角進(jìn)行封堵，以弧形與巷道頂板和巷幫嚴(yán)密結(jié)合。此外，需確保煤袋墻位置與工作面支架頂梁尾部對齊，煤袋墻長度需由上隅角位置一直延伸至工作面支架位置。為確保上隅角瓦斯抽采效果及可控性，在上隅角瓦斯抽采管路處需安設(shè)閥門、濾網(wǎng)、孔板及排渣三通等設(shè)施。上隅角瓦斯抽采管路與工作面主抽采管路連接，并通過井下固定瓦斯抽采泵進(jìn)行抽采。2308工作面上隅角插管抽采布置如圖2所示。

圖2 上隅角插管抽采布置圖

4 工作面瓦斯治理效果評價(jià)

為掌握采用頂板高位鉆孔抽采為主、上隅角埋管抽采為輔的瓦斯綜合治理措施對2308 工作面瓦斯治理效果，對工作面回采期間回風(fēng)流及上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖3所示。

圖3 上隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化曲線

由圖3可知，在為期20 d的監(jiān)測時(shí)期內(nèi)，上隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化曲線總體上呈鋸齒狀特征。究其原因是因?yàn)槭芑夭晒ぷ髅娌蓜佑绊?，圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，在應(yīng)力作用下煤巖層內(nèi)部裂隙不斷擴(kuò)展和發(fā)育，為瓦斯運(yùn)移提供了通道。此外，工作面每次割煤及放頂煤期間，上隅角及回風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)都會出現(xiàn)劇烈增大現(xiàn)象。工作面回采期間，上隅角及回風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值分別為0.68%和0.41%，最小值分別為0.34%和0.24%，平均值分別為0.54%和0.33%。此外，2308 綜放工作面在頂板高位鉆孔抽采期間，抽采主管路抽采流量在28.54～41.06 m3/min，抽采主管路內(nèi)瓦斯抽采最大體積分?jǐn)?shù)為3.05%，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為2.18%。由此可見，采用頂板高位鉆孔抽采為主、上隅角埋管抽采為輔的瓦斯綜合治理措施后，2308工作面上隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)均滿足工作面安全生產(chǎn)的要求，瓦斯治理效果顯著。

5 結(jié)語

1）基于下霍煤礦2308綜放工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件，分析指出工作面瓦斯涌出量由割煤瓦斯涌出量、放頂煤瓦斯涌出量、采空區(qū)瓦斯涌出量和鄰近層瓦斯涌出量四部分組成，通過對各部分瓦斯涌出量的預(yù)測，指出割煤和放頂煤瓦斯涌出量是工作面瓦斯涌出的主要來源。

2）基于2308工作面瓦斯來源分析結(jié)果，提出了頂板高位鉆孔抽采為主、上隅角埋管抽采為輔的瓦斯綜合治理措施，并給出了具體布置方案。

3）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：工作面回采期間，上隅角及回風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值分別為0.68%和0.41%，最小值分別為0.34%和0.24%，平均值分別為0.54%和0.33%。所采用的瓦斯治理措施有效治理了2308工作面回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)超限、上隅角瓦斯聚集的問題，為工作面安全生產(chǎn)提供了保障。