许 恒

(大同煤矿集团公司)

煤层瓦斯富集引起的煤与瓦斯突出事故、瓦斯爆炸燃烧事故是煤矿开采过程中面临的重大灾害，在威胁井下工作人员的同时，也制约着煤炭行业的发展与经济效益的提高。薄煤层工作面由于采高较低，开采速度快，致使顶板下沉量减少，裂隙带发育缓慢，采空区内易富集瓦斯。加之广泛采用的U型通风系统巷道结构简单，防治工作面瓦斯积聚能力较差[1-4]。瓦斯抽采是目前治理释放采空区内瓦斯富集的有效办法之一，瓦斯抽采按照钻孔分为高位钻孔抽采、本煤层钻孔抽采、穿层钻孔抽采以及立体抽采等[5]。面对变质程度高、渗透率低、透气性差、瓦斯高的薄煤层，通过对其采空区和邻近层的瓦斯进行全方位立体抽采，可以有效地提高矿井的瓦斯抽放率，降低工作面瓦斯体积分数，消除瓦斯积聚危险[6-8]。

1 工程概况

小青煤矿设计生产能力为120万t/a，2010年核定生产能力250万t/a。W2713工作面是小青煤矿W2主力开采区薄煤层工作面，位于其北部，采用刨煤机割煤工艺回采，工作面斜长225 m，煤层倾角为3°～5°，工作面走向长1 712 m，煤层厚1.40 m，煤层自然发火期限为90～180 d，煤尘爆炸指数为36.8%。采区内上覆顶板岩层发育，伪顶为灰黑色泥岩，易垮落破碎，直接顶为粉砂岩。采区所属地质构造瓦斯易赋存，煤层附近岩层裂隙比较不发育，使各煤层瓦斯赋存条件适宜，工作面最大涌出量为58 m3/min，平均为32.58 m3/min。通过实地检测，W2713工作面释放瓦斯占总瓦斯释放量20%～30%，其余为采空区内瓦斯释放量。

在工作面正式开采前，待开采煤层、上覆岩层与赋存瓦斯构成稳定状态。随着工作面推进形成采空区，其上覆岩层失稳断裂，顶板逐渐垮落，三者之间的稳定状态被破坏，上覆岩层破坏变形，形成纵横交错的裂缝，赋存瓦斯经由这些裂缝涌出到开采工作面。随着工作面向前推进、开采煤层破碎过程中，煤层赋存的瓦斯也会涌出，在工作面形成瓦斯积聚区。

W2采区薄煤层工作面瓦斯来源主要为采空区游离瓦斯、采空区煤壁涌出瓦斯与邻近层内游离瓦斯，占总瓦斯涌出量70%～80%。采空区内部涌出的瓦斯一方面是在工作面回采过程中采空区上下两侧预留煤柱在采动应力作用下发生裂隙直至向两侧深部延伸，致使裂隙发育区内煤层赋存瓦斯涌入；另一方面是回采遗煤边角煤炭赋存瓦斯在采空区内得到释放。上覆岩层受到采动影响，形成的裂隙向上发育，致使邻近4-2煤层内部的赋存瓦斯通过裂隙涌入采空区内，这是小青煤矿W2采区薄煤层工作面瓦斯主要来源。

2 W2713工作面立体瓦斯抽采技术

2.1 采空区深部瓦斯治理

小青煤矿W2713工作面顶板岩层发育，伪顶为平均厚0.80 m的泥岩；夹杂泥岩的粉、中砂岩互层平均厚5.20 m，为直接顶；主要以砂砾岩为主的老顶为砂岩层。采区所属地质构造瓦斯易赋存，各煤层瓦斯赋存条件适宜。由于顶板砂岩层裂隙构造丰富，加之其含水量大，增加了抽采难度。只利用顶板钻孔并不能有效解决W2713工作面采空区瓦斯大量涌出的问题，故采取地面钻孔负压抽采的方法。

地面钻孔布置靠近W2713回风顺槽，距其40 m依次布设10个地面钻孔，间距为150～200 m，钻孔最浅478 m，最深528 m，平均深503 m；各部件中心线一致，孔斜误差范围不超过1%。用阀门对地面钻孔进行控制，通过阀门井对钻孔内的积水和瓦斯浓度进行观测。地面钻孔布置见图1。

图1 地面钻孔布置

2.2 采空区浅部瓦斯治理

2.2.1 顶板斜交钻孔法

由于工作面上覆岩层“O”型空间结构[9-13]运动引起的变形、破断、失稳和顶板冒落，根据其状况的不同，结合经历时间长短，将采空区在纵向空间划分为裂隙带、冒落带和弯曲下沉带；同时，根据采空区矸石、浮煤压实程度将采空区在横向空间划分为载荷影响区、自然堆积区和压实稳定区。在受到采动影响作用下，上覆岩层处在失稳状态形成离层及裂缝，将钻孔布置在裂隙带中，可以充分抽采。

由于W2713工作面相较中厚煤层工作面采动裂隙发育阶段、活跃阶段、稳定阶段均滞后20 m左右，采动裂隙发育较充分区域的高度仅为10 m左右。因此，将钻孔最大限度地布置在处于活跃阶段内的采动裂隙发育较充分区域。W2713顶板斜交钻孔布置参数见表1。钻场超前备用接续2个抽采钻场，再超前施工一个接续钻场为宜。

表1 W2713顶板斜交钻孔参数

2.2.2 顶板水平钻孔法

根据小青矿W2713工作面地质条件，确定水平钻场长350 m，间距为280 m，钻孔水平方向呈小扇形，覆盖靠近回风侧1/2工作面。钻孔布置在顶板离层裂隙带内，钻孔布置参数见表2。钻孔呈抛物线形，钻孔轨迹顶点至孔底孔内积水，沉淀少量岩粉，顶板岩层断裂后钻孔积水流出。水平钻孔抽采薄煤层工作面采空区前部富集区瓦斯，与斜交钻孔相比，后期管理有抽采周期工作量小、抽采量大、效率高的特点，是薄煤层工作面主要抽采方法之一。

表2 W2713顶板水平钻孔参数

2.2.3 钻孔气水分离装置

由于W2采区地质条件多变，顶板砂岩层含水量大，且含水层裂隙发育导致钻孔涌水量较大，如处理不好涌水，将严重影响抽采量。采用人工排水容易导致水进入抽采管路，降低抽采效率，甚至升高工作面瓦斯浓度，影响正常生产[14]。采用二级气水分离装置提高抽采量，装置结构见图2。其过程为钻孔内的瓦斯与水进入一级气水分离器进行初次分离后，经由4寸钢丝软管进入二级气水分离器，实现瓦斯与水的分离。

2.3 采区回风上隅角瓦斯治理

对采空区深部瓦斯进行地面钻孔抽采，同时在采煤工作面回风上隅角附近进行交叉钻孔来抽采采空区浅部瓦斯，回风上隅角的瓦斯浓度仍超过1%。为进一步提高立体抽采效果，采用珍珠岩封堵工作面上隅角[15]，通过大流量移动泵明管抽采回风上隅角瓦斯后，改变回风上隅角附近区域流场原来的分布状态，使得上隅角瓦斯浓度降低。

图2 钻孔二级气水分离装置示意

3 立体瓦斯抽采效果

采用立体抽采技术后， W2713工作面回风上隅角瓦斯浓度变化曲线见图3。可以看出，回风上隅角瓦斯浓度低于0.7%，满足安全生产的需要。

图3 W2713工作面回风上隅角瓦斯浓度变化

W2713工作面立体瓦斯抽采量汇总见表3。可以看出，在立体抽采技术应用过程中，总抽采量为27.15 m3/min，占总涌出量的83.77%；大流量移动泵抽采3.00 m3/min，占总抽采量的11.05%；工作面交叉钻孔抽采13.31 m3/min，占总抽采量的49.02%，地面钻孔抽采10.84 m3/min，占总抽采量的39.93%；瓦斯抽采率的提高改善了工作面的安全状况。

表3 W2713抽采情况汇总 m3/min

4 结 论

(1)W2采区薄煤层工作面瓦斯来源主要为采空区游离瓦斯、采空区煤壁涌出瓦斯与邻近层内游离瓦斯涌出，其中受采动影响，采空区上覆岩层发育使邻近4-2煤层内部的赋存瓦斯通过裂隙涌入采空区。

(2)通过立体抽采方案的实施，使得小青煤矿W2713薄煤层工作面内的瓦斯浓度明显降低，回风上隅角瓦斯浓度低于0.7%，瓦斯抽采率明显提高，改善了工作面的安全状况，解决了上隅角瓦斯超限问题。

(3)采用地面钻孔负压抽采采空区深部瓦斯与水平钻孔、斜交钻孔协同负压预抽浅部瓦斯，根据工作面上覆岩层“O”型裂隙圈的形成特点，将钻孔布设在采动裂隙发育较充分区域。

(4)地面钻孔瓦斯抽采量大稳定，浓度高，钻孔服务时限长，管理维护简单安全；当采场封闭后，仍会有较长时间的稳定产量，可作为清洁能源进行利用。