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众维煤矿难抽采煤层瓦斯四位一体综合防治技术研究

雷永超

(河南能源化工集团新疆投资控股有限公司，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，830001)

摘 要 基于众维煤矿实际情况，从地层、构造、煤层3方面研究得出了难抽采煤层的瓦斯地质分布规律；在此基础上针对掘进工作面、工作面切眼、回采工作面及采空区等瓦斯防治区域建立了以预抽、边采边抽、边掘边抽、埋管抽采为核心的四位一体瓦斯综合防治技术体系。通过实际工程验证，技术实施后瓦斯含量和压力都降到临界值以下，钻孔瓦斯浓度普遍能够保持在10%以上，区域消突效果良好；实施瓦斯抽放防突措施之后，瓦斯抽放效果明显，工作面瓦斯浓度和预测参数无超标现象，瓦斯抽采率大于30%；平均掘进速度基本位于100～150 m/月之间，与原来相比速度提升了1～2倍，掘进工作面瓦斯得到了有效治理，瓦斯涌出控制在安全范围之内。

关键词 低解吸 厚煤层 含夹矸 瓦斯地质规律 瓦斯防治技术

中图分类号 TD712

文献标识码 A

引用格式：雷永超. 众维煤矿难抽采煤层瓦斯四位一体综合防治技术研究[J].中国煤炭，2019,45(12)∶53-58.

Lei Yongchao. Study on four-in-one comprehensive prevention and control technology of coal seam gas difficult to extract in Zhongwei Coal Mine[J]. China Coal, 2019，45(12):53-58.

Study on four-in-one comprehensive prevention and control technology of coal seam gas difficult to extract in Zhongwei Coal Mine

Lei Yongchao

(Xinjiang Investment Holdings Co., Ltd., Henan Energy and Chemical Industry Group, Urumqi, Xinjiang 830001, China)

Abstract Based on the actual situation of Zhongwei Coal Mine, the gas geological distribution law of the coal seam difficult to extract was obtained from the study of stratum, structure and coal seam. On this basis, a four-in-one gas comprehensive prevention and control technology system was established for the gas prevention and control areas such as driving face, cutting face, mining face and goaf, with the core of pre-extraction, extraction while mining, extraction while excavating and extraction by underground pipe. Through the actual engineering verification, the gas content and pressure were reduced below the critical value after the implementation of the technology, the gas concentration in the borehole could generally keep over 10%, and the regional outburst elimination effect was good; after the implementation of the gas drainage and outburst prevention measures, the gas extraction effect was obvious, the gas concentration and prediction parameters in the working face didn't exceed the standard and the gas extraction rate was more than 30%; the average monthly driving speed was basically between 100～150 meters which was increased by 1～2 times compared with the original, the gas in the driving face had been effectively controlled and the gas emission was controlled within the safe range.

Key words low desorption, thick coal seam, dirt band, gas geological law, gas prevention and control technology

瓦斯防治是煤矿安全开采需要研究的核心内容之一，随着研究工作的深入，在矿井瓦斯治理方面形成了一系列行之有效的措施。针对特厚煤层瓦斯防治的关键问题，杜海刚等确定了综放工作面临界瓦斯抽采量[1]；程志恒等布置内错尾巷对上隅角瓦斯治理，布置高抽巷对邻近层瓦斯治理，抽采率超过90%[2]；王一涵设计了双巷掘进迈步式抽放系统[3]，对沿底掘进过程中煤壁瓦斯涌出进行治理；针对瓦斯防治抽采钻孔布置技术，赫崇国等以贺西煤矿矿井煤层瓦斯赋存条件为例，设计了地面钻孔抽采与井下钻孔抽采相结合、卸压抽采与预抽相结合、穿层钻孔与顺层钻孔相结合、采前抽采与采中抽采相结合的立体瓦斯抽采模式[4]；李修磊等以鹿洼煤矿4301煤层掘进期间上覆采空区瓦斯赋存、煤自燃实际情况，提出了“封堵裂隙-钻孔排放-风量稀释”三位一体[5]的瓦斯防治措施。

但对于因矿井地质条件复杂，顶板致密性好、含水量大，煤层倾角大、厚度大、变化明显、软分层及夹矸含量多，煤层瓦斯含量高、吸附量大、抽采困难等因素影响造成的低解吸、含夹矸、难抽采厚煤层的瓦斯防治研究较少，而且瓦斯治理难度较大。因此，以众维煤矿为例，系统地对此条件下的瓦斯治理技术体系进行研究，对与众维煤矿瓦斯条件相似的矿井进行瓦斯综合防治有一定的参考价值。

1 矿井概况

1.1 煤层特征

众维煤矿井田内含煤地层为上三叠统塔里奇克组，中、下侏罗统阳霞组和克孜勒努尔组，包括I、II、III、IV 4个含煤组，其中IV13煤层全区可采，较稳定，可采厚度较大，煤质好；其余煤层为局部可采或不可采煤层。主要可采煤层Ⅳ13厚度为1.78～10.92 m，平均厚度4.92 m，煤层倾角28°～32°，含夹矸2～5层，厚度0.06～0.96 m，夹矸多为炭质泥岩，含粉砂炭质泥岩。煤层顶底板岩性基本相同，一般为含炭泥质粉砂岩，含炭粉质泥岩、岩质泥岩。

三采区主采IV13煤层，煤层倾角30°，煤层平均厚度5.08 m，内含两层夹矸，厚度分别为0.8 m和0.7 m，将煤层分为上、中、下3个分层。根据各巷道施工期间揭露的IV13煤层情况，其上分层煤层平均厚度1.7～2.4 m，中间分层平均厚度1.9～2.6 m，下分层平均厚度1.6～0.7 m。

1.2 瓦斯地质特征

通过在三采区布置钻场进行煤层瓦斯含量、煤质成分分析，得到Ⅳ13煤层瓦斯地质特征。

(1)区域构造大规模的挤压作用[6-7]，同时强烈的构造运动对煤体破坏严重，易形成构造煤，为瓦斯的聚集提供了必要条件；区域地层和煤层中的水流动性较差，对瓦斯保存较为有利，易于瓦斯聚集。

(2)Ⅳ13煤层瓦斯含量随着煤层埋藏深度加深而增加。瓦斯含量与煤层埋深的关系如图1所示，数学关系为Y=0.033X-12.70。煤层瓦斯含量梯度为3.30 m3/(t·hm)，即Ⅳ13煤层埋深每增加100 m，瓦斯含量增加3.30 m3/t。代入瓦斯含量与煤层埋深的关系式可得：Ⅳ13煤层的瓦斯含量平均为8.75 m3/t，最大瓦斯含量为13.04 m3/t。

(3)煤中水分含量高，占据煤体空隙，吸附在煤的表面，从而影响煤对瓦斯的吸附[8]；煤中灰分增加，减少了生成瓦斯的物质；瓦斯含量随着煤的变质程度升高而增加，煤的挥发分含量越低、变质程度越高，瓦斯压力和瓦斯含量越高；煤层越厚生成的瓦斯越多，储积的瓦斯内能越大，开掘中煤层受到破坏，突出危险性越大。

通过上述分析可以看出，主采Ⅳ13煤层瓦斯防治技术难点在于：矿井地质条件较复杂[9]，煤层赋存不稳、厚度变化大，含有2～5层夹矸，面临含夹矸非均质煤体瓦斯抽放效果差的难题；顶板为较坚硬的中粒砂岩，含水量大，煤层倾角超过32°，中斜煤层开采对瓦斯抽采造成困难；瓦斯含量高、吸附量大、渗透率低，瓦斯抽采困难，抽放率低。

2 瓦斯综合治理方案

2.1 方案设计

2.1.1 影响因素

结合众维煤矿实际情况，分析矿井瓦斯来源，针对不同源头的瓦斯采取不同的技术措施。

(1)瓦斯来源于开采层本身，可采用钻孔抽采，也可采用巷道预抽形式直接从开采层抽出，即本煤层抽采；

(2)瓦斯来源于开采煤层的顶、底板邻近煤层内，在开采顶底板煤、岩中的巷道打穿层钻孔，抽采邻近层瓦斯，即邻近层抽采；

(3)采空区及废巷中积聚瓦斯采用采空区抽采方法[10]；

(4)煤巷掘进中有严重瓦斯涌出且仅靠通风不能解决瓦斯浓度超限，需要采用钻孔预抽或巷道边掘边抽方法。

2.1.2 综合防治方案构建

众维煤矿瓦斯治理工作主要集中在+2193 m水平以下三采区范围内，采掘头面有三采区输送机下山、轨道下山、回风下山以及1301工作面、12001工作面。各作业地点施工期间均严格按照“四位一体”瓦斯综合防治措施进行作业，回采工作面[11]采用预抽和边采边抽、掘进工作面采用边掘边抽和先抽后掘、采空区瓦斯采用埋管抽采[12] 。众维煤矿瓦斯治理方案如图2所示。其中，区域突出危险性预测采用直接测定法，测定煤层原始瓦斯含量，煤层瓦斯含量≥6 m3/t为有突出危险性；区域效果检验、工作面突出危险性预测、工作面效果检验均采用钻屑指标法，S值≥5 kg/m，K1值≥0.4 mL/(g·min1/2)有突出危险性。区域防突措施均采用本煤层条带预抽煤层瓦斯，工作面防突措施为施工瓦斯排放钻孔。

2.2 防治措施

开采IV13煤层设计采用四位一体防治措施，区域防突措施均采用本煤层条带预抽煤层瓦斯，工作面防突措施为施工瓦斯排放钻孔。巷道掘进期间沿掘进方向每60 m作为一个评价单元，取样测定煤层原始瓦斯含量，每30 m选取一个测点，测定煤层瓦斯含量。

2.2.1 三采区下山(预抽、边掘边抽)

三采区输送机下山掘进工作面以IV13煤层第一层夹矸为顶板施工，巷道倾角28°，巷道位于煤层下分层中，区域防突措施采用每隔60 m布置一个挂耳钻场，钻场规格4 m×3.5 m×3.5 m(长×宽×高)，在钻场内施工顺层条带钻孔预抽煤层瓦斯，每组钻场控制前方80 m，巷道两帮各15 m，每组钻场设计钻孔27个，孔径75 mm，钻孔深度50～94 m，每循环允许区域进尺60 m，预留20 m超前距。三采区输送机下山瓦斯抽放钻孔布置如图3所示。

三采区轨道下山掘进工作面位于IV13煤层的上分层，沿煤层顶板施工，巷道倾角28°。区域防突措施采用每隔40 m布置一个挂耳钻场，钻场规格为3 m×3 m×3.5 m(长×宽×高)，在钻场内施工顺层条带钻孔预抽煤层瓦斯，每组钻场控制前方60 m，巷道两帮各控制15 m，每组钻场设计钻孔18个，孔径75 mm，钻孔深度52～84 m，每循环允许区域进尺40 m，预留20 m超前距。三采区轨道下山瓦斯抽放钻孔布置如图4所示。

三采区回风下山掘进工作面为反掘巷道，上山施工，沿煤层顶板施工，位于煤层上分层中，巷道倾角28°，其开口位于三采区2#联络巷处。区域防突措施为在巷道掘进头及上帮钻场内施工顺层条带钻孔预抽煤层瓦斯，每组钻场控制前方120 m，巷道上帮控制30 m，下帮(输送机下山侧)控制15 m，每组钻场设计钻孔34个，孔径94 mm，钻孔深度50～121 m，每循环允许区域进尺100 m，预留20 m超前距。

2.2.2 1301工作面切眼(预抽)

以1301采煤工作面切眼瓦斯抽采为例，按非突出煤层进行设计，当煤层有动力现象或经鉴定为有突出危险性时，重新进行设计。在掘进工作面掘进头施工扇形钻孔，如图5所示，对工作面前方煤巷条带煤层瓦斯进行预抽。根据矿方实际条件，确定预抽钻孔控制范围：巷道两侧轮廓线外12 m，工作面前方条带长度为65 m(如有大功率钻机，可增加钻孔施工长度)，钻孔孔径不低于ø75 mm，封孔深度应不小于8 m，以保证抽采效果。预抽钻孔超前距不小于10 m。

2.2.3 1301工作面(预抽、边采边抽)

1301工作面在开拓期间，下巷道位于IV13煤层下分层，上巷道位于上分层中。施工期间由+2165 m运输大巷施工联络巷进入1301上巷道，沿1301上巷道方向施工1301切眼，切眼完成后反掘1301下巷道。巷道掘进期间沿掘进方向每140 m作为一个评价单元，取样测定煤层原始瓦斯含量，每30 m以及第140 m时各选取一个测点，测定煤层瓦斯含量。

1301下巷道施工期间，区域防突措施采用在巷道掘进头及下帮钻场内施工顺层条带钻孔预抽煤层瓦斯，每组钻场控制前方140 m，巷道上帮、下帮各20 m，每组钻场设计钻孔18个，孔径94 mm，钻孔深度48～142 m，每循环允许区域进尺120 m，预留20 m超前距。1301上巷道施工期间，区域防突措施采用在巷道掘进头及下帮钻场内施工顺层条带钻孔预抽煤层瓦斯，如图6所示。每组钻场控制前方90 m，巷道上帮控制20 m，下帮控制10 m，每组钻场设计钻孔30个，孔径94 mm，钻孔深度33～100 m，每循环允许区域进尺80 m，预留20 m超前距。1301工作面本煤层预抽钻孔设计钻孔间距2 m，钻孔深度80 m，随巷道掘进依次施工。

2.2.4 采空区(埋管抽采)

在工作面回风巷沿巷道底部铺设一路瓦斯抽放管道，在距工作面切眼一定距离处设置弯管将抽放管道抬高至巷道顶部，并在巷道顶部分叉，分为多路钢管，抽放管道的管口相互间隔5 m左右，用筛网对抽放管口进行保护，设沙袋墙对抽放管道进行保护，以此形成埋管口。在分叉处对各路分管分别安装一个阀门，分叉处前段安装一个总阀门。在工作面推进过程中，将各路抽放管道的埋管口保留在工作面的采空区的深度依次为20 m、15 m、10 m、5 m等，通过抽放系统对采空区瓦斯进行抽放。当工作面推进至下一路抽放管道管口附近时，关闭上一管道的阀门，同时对上一路管道进行拆卸。在采空区内的管子，梯次配备，分段抽采，进入下一循环。依此类推，以达到利用埋管不断抽采采空区及上隅角瓦斯的目的。

3 防治效果分析

3.1 消突效果检验

通过对三采区回风下山掘进头和输送机下山1#、2#钻场顺层条带钻孔瓦斯参数进行分析，得到吨煤瓦斯残余含量分别为5.7063 m3/t、5.7500 m3/t，均小于6 m3/t；煤层残余瓦斯压力分别为0.176 MPa、0.178 MPa，均低于0.6 MPa；1301上巷道专用回风巷控制范围内煤层瓦斯储量为20.59万m3，监测显示工作面瓦斯抽放浓度平均为0.8%，抽放混合瓦斯量为30 m3/min，瓦斯抽放纯量为0.24 m3/min，工作面风排瓦斯量为0.52 m3/min，抽采率为31.58%，大于30%。各项参数均符合煤与瓦斯突出防治的相关要求。

3.2 区域验证及工作面突出危险预测

对1301上巷道在掘进期间进行区域验证和工作面突出危险性预测，预测结果如图7所示。

从1301上巷道开口到切眼，大致划分为3个区段：第一阶段为前120 m，仅在掘进工作面采用排放措施，预测指标超标频繁，钻屑量S超标1次，钻屑瓦斯解吸指标K1超标3次；第二阶段为120～303 m，实施瓦斯抽放措施，但处于初期试验阶段，瓦斯抽放工艺不合理，钻屑量超标6次，K1超标6次；第三阶段为303～610 m，即6#～14#钻场的控制范围，对瓦斯抽放钻孔参数进行了优化，钻孔间距控制在6～9 m，预测参数没有超标现象，掘进面月平均进尺数提高到100～150 m，较之前加快了1～2倍，瓦斯抽放效果明显。

4 结论

(1)基于众维煤矿主采的IV13煤层地质构造演化、控煤构造及聚煤规律，从盆地构造、煤层埋深、水文地质等方面分析了其对所采煤层瓦斯赋存的控制特征，得出众维煤矿夹矸分布特征，揭示了多夹矸复杂厚煤层三维瓦斯地质分布规律。

(2)针对众维煤矿采煤工作面、掘进工作面、采空区等多瓦斯来源，设计了以预抽、边采边抽、先抽后掘、埋管抽采为核心的四位一体的瓦斯综合防治技术。

(3)瓦斯防治措施实施后，三采区回风下山及输送机下山瓦斯监测地点吨煤残余瓦斯含量分别为5.7063 m3/t、5.7500 m3/t，残余瓦斯压力分别为0.176 MPa、0.178 MPa，均位于临界值以下；瓦斯抽采率大于30%，工作面瓦斯浓度和预测参数无超标现象，掘进速度比原来提高了1～2倍。

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作者简介：雷永超(1985-)，男，河南濮阳人，研究生学历。现为河南能源化工集团新疆投资控股有限公司党委组织部、人力资源部部长，主要从事煤炭安全生产监督、企业人力资源及团队建设相关管理的工作。E-mail:Nanjing1483@163.com。

(责任编辑 张艳华)