王向东，景瑞旭

(山西省华晋焦煤有限公司，山西 柳林 033301)

1 矿井概况

沙曲井田总体呈一单斜构造，地层走向由北向南，由南北向渐变为北西向，倾向由西渐变为南西，地层倾角平缓，一般为3°～7°。井田内以宽缓的小型褶曲及陷落柱构造为主，断层稀少且断距小，井田内无岩浆侵入，井田地质结构属简单型。其工作面布置方式均为倾斜长臂后退式开采。

目前，华晋焦煤沙曲矿主采山西组4#煤层和5#煤层。其中4号煤层赋存于山西组下部，上距3#煤平均6．16 m，煤厚平均2．98 m。北翼区域部分为3#、4#煤合并的厚煤地段，煤层多为4 m左右，最厚达6．05 m。5#煤层上距4#煤层平均2．98 m，煤厚平均2．73 m。

沙曲矿4#煤层瓦斯含量平均值为11．06 m3/t，百米钻孔衰减性系数为0．026 d－1，钻孔抽放半径为5 m，经鉴定沙曲矿4#煤层具有煤与瓦斯突出危险性。

2 瓦斯抽放模型

本模型首先要解决采掘工作面煤与瓦斯突出的问题，其次要解决采掘工作面瓦斯涌出量大的问题，还要解决回采工作面采空区和回采工作面上隅角瓦斯问题。

2．1 定向顺层钻孔预抽

为解决采掘工作面煤与瓦斯突出和采掘工作面瓦斯涌出量大的问题，采用定向钻机(VLD1000型澳钻)施工全工作面的顺层钻孔(见图1)，根据抽放半径安排钻孔间距为10 m，因工作面长度为260 m，煤柱宽度为50 m，外加区域防突的保留距离，因此，钻孔设计深度为350 m。

图1 钻孔布置图

因钻孔施工巷道为上工作面专用回风巷道，因此，在工作面回采时可以继续进行瓦斯抽放。以保证抽放时间，将抽放时间暂定为1年。瓦斯抽放钻孔实际抽放率ηs计算公式为：

式中：ηs—预抽钻孔实际瓦斯抽放率，%;

qc0—百米钻孔初始瓦斯抽放量，m3/min，取0．6205;

β—钻孔瓦斯抽放量衰减系数，d－1，取 0．026;

t—预抽钻孔平均预抽时间，d，取150;

L1—预抽钻孔平均单孔长度，m，取350;

W0—煤层原始瓦斯含量，m3/t，取11．06;

L0—工作面长度，m，取350;

d1—巷道预排瓦斯等值宽度，因钻孔为下工作面预留40 m，因此d1=40 m;

m0—煤层厚度，m，取4;

γ—煤容重，t/m3，取 1．36;

z—预抽钻孔间距，m，取10;

k—预抽钻孔布孔方式参数，单巷布置则k=1。

由以上公式计算可得：

由此可知，在沙曲矿3#煤和4#煤合并区域抽放150天后瓦斯抽放率可达63．3%，煤体残余瓦斯含量为4．05 m3/t。随着抽放时间的延长，钻孔抽放量逐渐衰减，抽放150天后钻孔已接近抽放极限。如果工作面暂时无需回采，钻孔可以继续抽放，但是工作面瓦斯残余量无明显下降趋势(见图2)。可以确定已经达到工作面消突的目的，并且在巷道掘进和工作面回采时可降低本煤层瓦斯涌出。

图2 抽放率和残余瓦斯含量曲线图

2．2 采空区裂隙带钻孔抽放

因工作面本煤层和邻近层瓦斯均涌入回采工作面采空区的空间内，容易造成回采工作面瓦斯超限等问题。但工作面采空区瓦斯均流向靠近回风巷的负压区上方，针对此特点并利用工作面专用回风巷施工采空区钻孔可抽采上邻近层瓦斯。为此根据裂隙带钻孔流量大的特点，施工钻孔必须采用大直径，并且抽放必须采用大负压。为此沙曲矿安排了孔径为250 mm的ADR－250钻机，对采空区的裂隙带部位施钻，按照采空区三带分布，工作面上部8～12倍采高是钻孔最合适的抽放区域，为此钻孔终孔高度定为48 m(见图3)。钻孔采用钻场式布置，每个钻场布置钻孔5个，钻场间距75 m，终孔间距15 m(以24207工作面为例)。

图3 裂隙带钻孔剖面图

在连续观测3个钻场后可知，从第一个钻场正常抽采后，抽放量均能达到12 m3/min，并且第一钻场抽放量衰减时，第二个钻场抽放量则迅速上升，说明钻场之间衔接较为合理，钻场内抽放量波动较小，说明钻场内各个钻孔之间衔接也较为合理(见图4)。该类型钻孔抽放量能够达到该工作面绝对瓦斯涌出量的40%左右，是解决回采工作面瓦斯的主要方法。

图4 裂隙带钻孔抽放量曲线图

2．3 采空区埋管抽放

为解决采空区上隅角瓦斯，沿回采工作面的回风侧的上帮敷设1条450 mm瓦斯管，每隔6 m在瓦斯管外侧安装1个150 mm三通和阀门，在工作面回采至三通位置时进行接管抽放，经过初采期后上隅角瓦斯浓度稳定在0．3% ～0．6%，且浓度无明显反弹，能够保证工作面安全、稳定、高效生产。

3 结论

本模型的特点是在上回采工作面回采前完成顺层钻孔的施工工作，然后在上工作面回采的过程中进行抽放;因回采时间较长，在上工作面回采完成后，工作面煤体抽放率达到63．3%，下工作面巷道已经消突，可以正常掘进;巷道掘进完成后，布置采空区裂隙带钻孔，同时安装工作面;在回采过程中40%的瓦斯被采空区裂隙带钻孔抽放，上隅角瓦斯被埋管抽放。工作面可以安全高效生产。

本模型采用上工作面巷道的递进式瓦斯治理模式，无需施工顶板走向高抽巷和底板瓦斯抽放巷，节约了大量的岩巷施工时间，同时减少了岩巷开拓的成本，并且所有钻孔的瓦斯浓度均在30%以上，顺层定向钻孔瓦斯浓度甚至可达70%以上，可以作为优质清洁的能源，为矿井增加新的经济效益增长点。

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