杨宏民，于士芹，梁龙辉，曾照民，裴冠朕

(1. 河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003;2.山西中煤华晋能源有限公司王家岭矿，山西 河津 043300；3.煤矿灾害预防与抢险救灾教育部工程研究中心，河南焦作454003)

0 引言

低瓦斯矿井一般采用通风方式解决工作面瓦斯问题[1]，随着采煤机械化程度和矿井生产能力的不断提升，原来开采低瓦斯煤层的矿井也因高强度开采而升级为高瓦斯矿井，出现了一批低瓦斯煤层开采的高瓦斯矿井[2-5]。如山西中煤华晋能源有限公司王家岭矿和延安市禾草沟煤矿，其煤层瓦斯含量一般不超过5.5 m3/t，但均存在回采工作面绝对瓦斯涌出量超过5 m3/min或上隅角瓦斯超限的危险。

王家岭矿主采煤层为2号煤层，煤层原始瓦斯含量为3.19～5.41 m3/t，平均甲烷组分含量为37.08%[4]，属低瓦斯煤层。但由于回采工作面设计日产量超过1.3万t，高强度生产导致回采工作面绝对瓦斯涌出量超过7.66～18.51 m3/min[6]，是典型的低瓦斯煤层高强度开采导致的高瓦斯矿井。此类矿井由于煤层瓦斯含量低、透气性小，煤层瓦斯抽采难度大，抽采效果不好，尽管实施了煤层增透措施，抽采效果也没有得到明显的改善。王家岭矿综放工作面采用单“U”型通风方式，上隅角瓦斯浓度最大在0.7%左右，顶板来压时会出现瓦斯浓度报警的情况，严重威胁了矿井安全生产。

本文以王家岭煤矿为例，通过对综放工作面瓦斯涌出的实测数据分析，揭示该类矿井瓦斯涌出特征，并提出了针性的瓦斯抽采方法。

1 矿井概况

王家岭煤矿设计生产能力6.0 Mt/a，主要含煤地层为二叠系下统山西组和石炭系上统太原组。山西组含煤4层，编号为1上，1，2，3号，其中1上和1号煤层为零星赋存，极不稳定；太原组含煤9层，编号为4，5，6，7，8，10，12号，可采煤层为2，3，7，10，12号煤层，目前矿井主采2号煤层，煤层均厚6.05 m，其主要邻近煤层赋存情况如表1所示。开采方法为综合机械化放顶煤开采，采高3.0 m，自然垮落法管理顶板。

根据2017年煤矿瓦斯涌出量鉴定结果，矿井绝对瓦斯涌出量17.77 m3/min，相对瓦斯涌出量1.44 m3/t，回采工作面绝对瓦斯涌出量5.62 m3/min，掘进工作面绝对瓦斯涌出量0.39 m3/min。主采2号煤层可解吸瓦斯含量仅有0.73～1.94 m3/t，是我国典型的低瓦斯煤层高强度开采导致的高瓦斯矿井，具有“低瓦斯含量、低透气性，高开采强度、高瓦斯涌出”的“两低两高”特征。

表1 矿井可采煤层特征Tab.1 Characteristic of minable coal seam

2 低瓦斯煤层高强度开采工作面瓦斯涌出特征分析

采煤工作面瓦斯涌出包括邻近层瓦斯涌出和本煤层瓦斯涌出，本煤层瓦斯涌出又包括落煤瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出等。采煤工作面的采空区瓦斯涌出一般来源于采空区遗煤瓦斯和邻近层及围岩卸压瓦斯。影响瓦斯涌出量的主要因素有自然因素和开采技术，自然因素主要包括煤层和围岩的瓦斯含量，开采深度和地面大气压力的变化；开采技术因素主要包括开采顺序与回采方法、回采速度与产量、落煤工艺与老顶来压步距、通风压力与采空区密闭质量、采场的通风系统等[7]。

2.1 采空区垮落卸压前工作面瓦斯涌出量不大

一般认为，第一次周期来压之前，顶板未整体垮落，围岩和邻近层的瓦斯由于未得到充分的卸压而难以向采掘空间涌出，此时的瓦斯涌出可认为主要是开采层的瓦斯涌出；当顶板垮落后，围岩和邻近层得到了较充分的卸压，产生大量的裂隙，其透气性急剧增加。此时邻近层和围岩的瓦斯开始大量涌出到采煤工作面。因此基本顶来压后的瓦斯涌出来源应包括开采层、围岩和邻近层的瓦斯涌出[8]。

通过对12318综放工作面初采期瓦斯来源分析，工作面抽排瓦斯总量包括高位孔抽采量、上隅角抽采量与工作面风排瓦斯量的综合，其随工作面累计进尺的变化关系如图1所示。

图1 综放工作面绝对瓦斯涌出量变化规律Fig.1 Laws of absolute gas emission rate in folly-mechanized top coal caving mining face

根据12318工作面最初240 m生产的现场实测资料，工作面初次来压步距为50 m。由图1可以看出，在基本顶垮落之前，即从开始回采至基本顶首次跨落的50 m范围内，抽排瓦斯量由最初不足0.6 m3/min逐渐增加到最大值3.7 m3/min，并基本维持在3.0 m3/min左右，符合低瓦斯矿井回采工作面瓦斯涌出不超过5.0 m3/min的条件。

工作面推进超过50 m后，由于基本顶跨落，顶板围岩得到充分的卸压，邻近层瓦斯从裂隙通道涌出，同时采空区遗煤瓦斯也涌入顶板裂隙中，此时工作面抽排瓦斯量显著增加至6.68 m3/min，并维持在平均值5.28 m3/min左右，此时已经达到了高瓦斯矿井的条件。

工作面基本顶垮落前后的瓦斯涌出量之差即为裂隙层瓦斯涌出量，即2.28 m3/min。由于3号煤层距开采层平均距离仅有2.24 m，最大瓦斯含量为4.47 m3/t，因此它是邻近层瓦斯涌出的主要构成部分。

根据AQ1018-2006《矿井瓦斯涌出量预测方法》，回采工作面、开采层和邻近层瓦斯涌出量分别按公式(1)～(3)计算。

q采=q1+q2

(1)

(2)

(3)

式中:q采为回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；q1为开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；k1为围岩瓦斯涌出系数，取1.2；k2为工作面丢煤瓦斯涌出系数，取1.15；k3为采区巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出的影响系数，经计算为0.88；m0和M分别为开采煤层厚度和采高，均取平均厚度6.05 m；W0和Wc分别为开采煤层原始瓦斯含量和残存瓦斯含量，取对应位置实测值3.19 m3/t和2.18 m3/t；q2为邻近层瓦斯涌出量，m3/t；mi为第i邻近层煤层厚度，m；W0i和Wci分别为第i邻近层原始瓦斯含量和残余瓦斯含量，m3/t；ηi为第i邻近层瓦斯排放率。

经计算工作面相对瓦斯涌出量为1.53 m3/t，其中本煤层为1.22 m3/t，邻近层为0.31 m3/t，其中3号煤层瓦斯涌出量为0.20 m3/t，占邻近层瓦斯涌出总量的工作面总涌出量的64.5%。按工作面日均产量约13 000 t计算，则工作面绝对瓦斯涌出量13.85 m3/min，其中本煤层为11.29 m3/min，邻近层2.78 m3/min。

瓦斯涌出量预测结果与现场瓦斯涌出量数据分析结果基本吻合。

2.2 煤壁瓦斯涌出量较大

为了考察工作面生产班、检修班在煤壁、落煤等地点和生产环节的瓦斯涌出，在工作面进回风巷布置了相应的测风断面(见图2)，对巷道风流中的瓦斯浓度及瓦斯涌出量进行了现场跟踪考察。

图2 12318工作面测风点布置示意Fig.2 Schematic diagram of air flow measuring section arrangement in No.12318working face

通过对每段巷道瓦斯浓度和涌出量进行统计得出，考察期内工作面最大风排瓦斯量为5.88 m3/min，回风巷平均每100 m长度的巷道煤壁的瓦斯涌出量为0.063 7 m3/min，按2条1 300 m的进回风巷煤壁和300 m工作面煤壁计算，煤壁瓦斯涌出量为1.85 m3/min，占生产班平均风排瓦斯量的31.46%。

可见煤壁瓦斯涌出是王家岭矿的综放工作面主要瓦斯涌出来源。

2.3 采放落煤-运煤瓦斯涌出为主要瓦斯来源

生产班和非生产班的生产工艺差异是非生产班少了一道采放落煤和运煤工序，因此其瓦斯涌出量差异即为采放落煤-运煤瓦斯涌出量[8]。

现场跟踪测定了6个生产班和6个检修班的风量和风流瓦斯浓度。现场考察结果非生产班平均风排瓦斯量为2.32 m3/min，生产班平均风排瓦斯量为5.88 m3/min，二者之差就是采放落煤、运煤瓦斯涌出量，其平均值为3.56 m3/min。

可以看出风排瓦斯量中，采放落运煤瓦斯涌出量占总风排瓦斯涌出量的60.5%，为主要的瓦斯涌出来源。

2.4 采取卸压瓦斯抽采后回采面回风流瓦斯较低

现场考察了2017年3月份12318工作面风排瓦斯情况，如图3所示。由于煤层原始瓦斯含量较低，采取瓦斯抽采措施后工作面回风流瓦斯浓度较低，通常非生产班不超过0.25%，平均在0.15%左右，生产班不超过0.34%，平均为0.25%。工作面风排瓦斯涌出量达到了高瓦斯矿井的标准，非生产班最大为6.0 m3/min，平均为3.46 m3/min，生产班最大为7.84 m3/min，平均为5.72 m3/min。

图3 12318工作面风流瓦斯涌出规律Fig.3 Lows of gas emission in return current of No.12318 working face

2.5 上隅角瓦斯涌出不容忽视

根据上隅角范围大小，按照近似正方形原则均匀布设测点，以工作面支架与回风顺槽内壁的交点为基点，布置网络测点，测点间距为1.5 m，如图4所示。

图4 上隅角测点布置情况Fig.4 Layout of measuring points at upper corner

2017年5月19日—6月6日，对王家岭矿12318工作面上隅角浓度分布点进行了连续跟踪考察，生产班和检修班的测定结果如图5所示。

图5 上隅角瓦斯浓度分布Fig.5 Gas concentration distribution in the upper corner of the production shift

从上隅角瓦斯分布来看，都存在靠近采空区一侧瓦斯浓度较高，靠近回风巷一侧瓦斯浓度较低的总体规律。

对比生产班与非生产班来看，生产班上隅角瓦斯浓度总体上比非生产班要高出40%以上，尤其是机组割煤至靠近上隅角的5～10部架子时，上隅角瓦斯浓度可高达0.7%～0.9%，直逼超限警戒。

可见低瓦斯煤层在高强度生产条件下，虽然工作面巷道风流瓦斯浓度较低，不存在瓦斯超限的危险，但是上隅角仍然存在超限报警的可能性。因此，上隅角是该类矿井瓦斯防治的重点区域。

3 低瓦斯煤层高强开采瓦斯抽采措施分析

综放工作面瓦斯防治常采用加强通风的方法解决工作面瓦斯涌出问题[9]，随着煤矿开采深度的增加、综合机械化放顶煤开采强度大和生产集中，使采煤工作面瓦斯涌出表现出了强度高、数量大和极不均衡等特点，同时综放工作面由于采高较大、走向长度较长、推进速度较快，因而形成较大面积的采空区，在顶板周期来压时，常造成采空区瓦斯富集和上隅角瓦斯超限[8]。通过瓦斯来源分析可知，综放工作面瓦斯主要来源为本煤层落运煤、采空区遗煤释放出的瓦斯和邻近层卸压瓦斯涌出，而未卸压的原始煤层的煤壁瓦斯涌出量较小。

鉴于主采2号煤层瓦斯含量小、透气性差，建议王家岭矿综放工作面采取以卸压瓦斯抽采为主的综合防治措施。

3.1 本煤层瓦斯抽采收效不大

王家岭矿以前实施过本煤层瓦斯抽采措施，即在工作面垂直于回风巷壁施工顺层钻孔预抽煤层瓦斯，由于煤层原始瓦斯含量较小，可解吸瓦斯量不大，加之在煤层透气性不好，导致本煤层瓦斯预抽效果非常不好，使得这种措施投入大、收效微。尽管也尝试了煤层增透措施，但由于煤层瓦斯含量小，增透后的抽采效果也不尽人意。

因此，低瓦斯煤层开采时，应尽量不要采用本煤层瓦斯预抽的方法。

3.2 卸压瓦斯抽采是解决问题的根本途径

既然低瓦斯煤层高强度生产的矿井存在上隅角瓦斯治理问题，而通过本煤层预抽瓦斯又很难降低煤层瓦斯含量，那么只能将瓦斯治理的重点放在卸压瓦斯抽采上来。

采空区冒落后，围岩得到充分的卸压，在采动影响下，煤层的顶板和底板的围岩会产生裂隙，造成邻近煤层的卸压，产生大量卸压瓦斯，而瓦斯直接通过裂隙进入采空区[10]。

卸压瓦斯抽采主要包括采空区(含上隅角)卸压瓦斯抽采、顶板卸压区瓦斯抽采、工作面超前卸压带瓦斯抽采等。

采空区瓦斯抽采主要有采空区埋管抽采、尾巷抽采、钻超抽采以及地面井抽采等。

顶板卸压区瓦斯抽采主要有高位抽采瓦斯巷道[11](简称高抽巷)抽采、倾斜走向高位钻孔抽采[12]、走向水平定向长钻孔抽采等。高抽巷由于巷道支护和维修困难，存在顶板冒落导致高浓度瓦斯燃烧或爆炸的危险，目前基本上不再采用。随着定向长钻孔钻进和成孔技术的发展和成熟，高抽巷逐渐被高位定向水平钻孔簇所替代，并在不断的摸索过程中发挥了越来越显著的作用。倾斜高位走向钻孔存在随工作面推进钻孔层位不断下降而导致钻孔提前失效的问题，目前使用率也大幅度下降。

4 低瓦斯煤层卸压瓦斯抽采效果分析

王家岭矿采取了以走向水平定向长钻孔抽采顶板卸压瓦斯和采空区埋管抽采采空区瓦斯的抽采模式。

4.1 高位水平长钻孔抽采裂隙带卸压瓦斯

12318综放工作面在回风侧实施了高位水平长钻孔抽采裂隙带卸压瓦斯的措施。高位水平长钻孔终孔布置在煤层顶板上部的裂隙带内，主要截抽邻近层因顶板垮落卸压而涌入裂隙区的游离瓦斯，并通过抽采因上浮作用进入顶板裂隙带的瓦斯，进一步影响采空区上隅角区域的流场分布。达到抽采裂隙带、采空区和邻近层中大量瓦斯的目的[13-16]。

在开采初期，为了有效控制工作面初采期间的瓦斯，回采之前在距开切眼170 m处的回风巷1号钻场内施工了2个高位定向钻孔，其最高垂直层位位于煤层顶板以上12～14 m之间，终孔超过切眼距离40 m左右后向下沉降进入煤层。在距1号钻场220 m处的2号钻场内施工了3个高位定向钻孔，钻孔垂直层位位于2号煤层顶板上19～35 m之间，钻孔水平位置距回风巷10～30 m。之后每隔300～400 m布置一个高位钻场，钻场内施工4个高位定向钻孔，钻孔层位为20～45 m，水平位置距回风巷7～61 m，相邻2个钻场钻孔水平搭接长度为60 m。高位钻孔整体高度在后期的7～9号钻场内逐渐调高。高位水平长钻孔布置如图6所示，抽采效果如图7所示。

图6 工作面高位定向钻孔布置示意Tab.6 Schematic diagram of high directional drilling layout in working face

图7 8号钻场高位定向钻场瓦斯抽采纯量Fig.7 Pure gas quantity of drainage by high directional level borehole in No.8 drill site

根据现场观测数据，8号钻场内的4个走向高位水平定向长钻孔抽采瓦斯混合总量平均为51.10 m3/min，最大为75.76 m3/min；抽采纯瓦斯总量平均为1.33 m3/min，最大时达到2.82 m3/min。

图7中，当工作面推进到7月12日前后时，抽采量出现突增现象，这是由于定向钻孔施工时，在此位置附近发生严重塌孔，被迫在后面重新施工分支孔。工作面推进到该位置时塌孔段透开，存在与多条分支孔同时抽采的情况，推过该区域后抽采量恢复正常。抽采虽然高位定向钻长抽采卸压瓦斯的总量不多，但较大的抽采混合流量将在一定程度上影响上隅角上部附近的流场分布，对预防上隅角瓦斯超限具有一定的意义。

4.2 上隅角埋—插管抽采瓦斯

对于“U”型工作面来说，上隅角瓦斯积聚是瓦斯防治工作的重点，通常采用上隅角预埋抽采管路，低抽采负压大流量的抽采采空区瓦斯方式。埋管抽采后在上隅角后部采空区形成一个负压区，以影响和改变该区域内瓦斯流场状态，最大限度地减小和阻止采空区瓦斯从上隅角流出，可以避免工作面上隅角处局部区域因风流不畅引起的瓦斯积聚。

考虑到上隅角受巷道支护的影响难以及时垮落，在埋管抽采口刚进入采空区未垮落区时，埋管基本上处理“放空”状态，抽采负压对采空区流场影响程度较小，此时上隅角瓦斯涌出难以避免，为了防止瓦斯积聚，在上隅角还布置了辅助抽采插管，目的是最大限度地收集上隅角涌出的瓦斯。

上隅角埋管-插管抽采方法如图8所示。

图8 上隅角瓦斯抽采方法Fig.8 Method of gas drainage in the upper corner

选择检修班和生产班，对综放工作面上隅角瓦斯抽采效果进行测定和分析，测定数据如表2所示。

表2 综放工作面上隅角瓦斯浓度Tab.2 Gas concentration of upper corner in folly-mechanized top coal caving face

根据表2，生产班上隅角抽排瓦斯量为1.86～3.37 m3/min，平均为2.83 m3/min；非生产班上隅角瓦斯抽排量为2.04～2.64 m3/min，平均为2.30 m3/min。可以看出，生产班受放煤、移驾和顶板冒落的影响，上隅角瓦斯抽采纯量明显比非生产班大。其中，上隅角埋管-插管瓦斯抽采效果如图9所示。

图9 上隅角埋管-插管瓦斯抽采效果Fig.9 Effect of gas drainage from the upper corner by

由图9可以看出，上隅角埋管最大抽采纯量为1.02 m3/min，平均为0.75 m3/min；插管最大抽采纯量为0.32 m3/min，平均为0.16 m3/min；上隅角总管最大抽采纯量为1.30 m3/min，平均为0.91 m3/min。埋管平均抽采浓度为1.07%，插管平均抽采浓度为0.41%。从抽采效果看，埋管抽采量占82.7%，插管抽采量占17.3%。

5 结论

1)低瓦斯煤层高强度开采时，一般回风流瓦斯浓度不大，通风容易解决，具有卸压前瓦斯涌出量小、煤壁瓦斯涌出不大的特征，落煤放煤和上隅角是瓦斯防治工作的重点。

2)低瓦斯煤层高强度开采时，一般采用本煤层抽采方法效果不佳，卸压瓦斯抽采是此类矿井瓦斯防治的关键。

3)对王家岭矿来说，采用高位定向钻孔抽采顶板卸压瓦斯，埋管-插管抽采相结合的方法抽采上隅角瓦斯是必要和有效的。

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