赵凯玉

（山西焦煤集团西山煤电屯兰煤矿，山西 太原 030052）

1 工作面概况

屯兰矿位于山西太原古交市，矿井生产能力4.50 Mt/a，是一座装备有各种大型先进煤矿机电设备的现代化矿井。根据2011年重庆煤科院提供的相关报告，屯兰矿鉴定为煤与瓦斯突出矿井，2019年的绝对和相对瓦斯涌出量分别达到262.37 m3/min和46.36 m3/t。

18403工作面位于井下南翼下组煤盘区的右翼，开采8#煤层。工作面倾向长235 m，走向长2 096 m，平均采高2.75 m。为提高煤炭回收率，同时改善井下通风状况，屯兰矿目前普遍实施了沿空留巷施工作业，由此构成了图1中的两顺槽进风，污风从专用回风巷排出；另外，在下部的9#煤层中开拓底抽巷，加强邻近层瓦斯抽放。

图1 18403工作面巷道组成

2 基于涌出量预测的瓦斯抽采分析

2.1 瓦斯来源

由18403工作面顶底板地质探测情况可知，8#煤层的上邻近层为7#煤层，下邻近层为9#煤层。因此，工作面回采时，一部分瓦斯来源于本煤层，所占比例较大；另一部分则来源于上下两邻近层，占比较小，但必须加以控制。另外，也需关注和治理采空区的瓦斯涌出。

2.2 瓦斯涌出量预测计算

（1）对于当前所开采8#煤层的相对瓦斯涌出量q1，经验计算见式（1）：

式中：K1为工作面上部岩层影响系数，其取值与回采后采空区顶板的处理方法相关，由于该工作面采用全部垮落法，因此上部岩层对本煤层瓦斯影响明显，取K1=1.3；K2为遗煤影响系数，由于遗煤量与回采率η是负相关的，因此假设η=0.95，则K1=1.05；K3为采准巷所实施的预抽瓦斯措施对当前瓦斯的影响系数，取K3=0.88；m为煤层厚度，8#煤平均厚度2.75 m（其中煤层有益厚度2.41 m，局部夹矸平均厚度0.34 m）；M 为平均采高，18403工作面取M=2.75 m；W0为当前煤层的最大瓦斯含量，已知W0=13.413 5 m3/t；WC为运出矿井后煤的残存瓦斯含量，WC=3.4 m3/t[4-6]。

代入式（1）计算可得，8#煤的相对瓦斯涌出量q1=10 m3/t，以该工作面日产4 700 t原煤计算，本煤层的绝对瓦斯涌出量Q1=33 m3/min。

（2）对于上邻近7#煤层及下邻近9#煤层的瓦斯涌出量q2的计算，见式（2）：

式中：i为邻近层编号，上部7#煤i=1，下部9#煤i=2；WOi为编号i邻近层的初始瓦斯含量，取WO1=5.7 m3/t，WO2=11.312 3 m3/t；Wci为编号i邻近层内的剩余瓦斯含量，取Wc1=1.345 5 m3/t，Wc2=1.459 2 m3/t；mi为相应编号的邻近层的煤厚，7#煤m1=0.99 m，9#煤m2=1.69 m；ηi为编号i邻近层的预计瓦斯排放比，ηi的大小与煤层间距负相关，取η1=80%，η2=50%。

上邻近7#煤层与下邻近9#煤层的参数分别代入式2，计算可知，相对瓦斯涌出量分别为Q2上=1.25 m3/t、Q2下=3 m3/t，以工作面平均日产4 700 t原煤计算，相应位置的绝对瓦斯涌出量分别为Q2上=4 m3/min、Q2下=10 m3/min。

（3）工作面瓦斯涌出总量计算

式（1）、式（2）中计算所得的各部分数值相加，即为18403工作面的绝对瓦斯涌出量预测计算值Q=Q1+Q2上+Q2下=47 m3/min。

2.3 瓦斯抽采的必要性与可行性

在以上瓦斯预测计算数据基础上，可进一步作出以下科学判断：

（1）必要性：测定所得8#煤层的瓦斯约为13.413 5 m3/t，为保障回采期间的安全性，根据《煤矿瓦斯抽采基本指标》规定，必须将该项指标降至小于8 m3/t，因此，该工作面必须实施瓦斯抽采。此外，由于工作面的绝对瓦斯涌出量Q介于40 m3/min和70 m3/min之间，对照《煤矿安全规程》要求，18403工作面的抽采率还必须大于50%。

（2）可行性：根据前期鉴定报告，8#煤的透气性系数指标为3.632 9 m2/MPa2.d，百米钻孔瓦斯衰减系数为0.003 1 d-1，参照“煤层瓦斯抽采难易程度表”中规定，8#煤层属于可抽采煤层。

3 18403工作面瓦斯抽采方案的设计

3.1 瓦斯抽采方法选择

综合分析相邻已回采工作面瓦斯抽采情况及本工作面瓦斯涌出预测数据，决定对18403工作面采用“本煤层抽采+上、下邻近层抽采+采空区瓦斯抽采”的综合瓦斯治理措施，以确保工作面安全生产。18403工作面所处8#煤层的设计规划抽采时间为12个月，须在抽采6个月后钻孔检测剩余瓦斯含量是否满足8 m3/t以下要求。若不满足要求，应采取相应措施，确保在回采前使煤层瓦斯含量在《煤矿瓦斯抽采基本指标》的8 m3/t以下的要求。

3.2 瓦斯抽采钻孔参数及封孔工艺方案

（1）本煤层钻孔布置参数及封孔工艺

为保证抽采效果及抽、掘、采衔接紧凑，将本煤层钻孔布置在工作面轨道巷，钻孔布置参数为：规格Ф113 mm，钻孔进深220 m，与巷道壁垂直夹角4°，水平夹角90°，相邻孔间隔5 m。预计钻孔总数375处，总长82 500 m。

钻孔后，为保证抽采效果，需对孔口的抽采管道进行良好的密封。结合现场抽采经验，决定利用2寸的PVC管进行封孔。本煤层封孔所用管长为12 000 mm，见图2。在两端管口各800 mm长度内，将麻袋绕在管上，聚氨酯填充间隙，以此保障两端具有合格的密封和强度；然后中间段6800范围直接使用聚氨酯进行压注填充，并用导气管导出内部气体。管口需伸出煤壁300 mm，与外部管路相连。

图2 本煤层抽采钻孔封孔

（2）上、下邻近层钻孔布置参数及封孔工艺

为抑制上邻近7#煤层瓦斯对当前工作面的影响，在18403轨道巷实体煤壁上布置高、低位邻近层抽采钻孔，基本参数为：①低位钻孔：规格Ф113 mm，钻孔进深100 m，与巷道壁垂直夹角15°，水平夹角45°，孔垂高26 m，伸入工作面69 m，相邻孔间隔10 m；②高位钻孔：孔径规格和间距与低位钻孔相同，钻孔进深110 m，与巷道壁垂直夹角25°，水平夹角55°，孔垂高46 m，伸入工作面82 m。共计370处钻孔，钻进37 000 m。

为抑制下邻近9#煤层瓦斯对当前工作面的影响，在18403底抽巷内布置顺层预抽钻孔，基本钻孔参数为：规格Ф113 mm，钻孔进深220 m，与巷道壁垂直夹角-2°，水平夹角90°，相邻孔间隔8～12 m，共计钻孔198处，合计43 560 m。

邻近层钻孔的孔口密封方式与本煤层基本相同，见图2。PVC管道总长缩短至8 000 mm，中间段密封填充尺寸缩短为2 800 mm，管口伸出煤壁200 mm。

3.3 瓦斯抽采量预测计算

（1）本煤层钻孔抽采量预测

根据前期抽采经验，8#煤层中每个孔的平均瓦斯抽采量约为0.05 m3/min，18403工作面本煤层共布置375个钻孔，考虑瓦斯抽采不均衡性，取不均衡系数为0.8，则本煤层钻孔抽采量预计为15 m3/min。

（2）轨道巷内7#煤层瓦斯抽采量预测

上邻近7#煤层高、低位孔共施工8组，预计每组孔的平均抽采量为1.4 m3/min，假设各孔不均衡系数为0.8，则上邻近7#煤层的预测抽采量可达9 m3/min。

（3）底抽巷内9#煤层钻孔抽采量预测

假设9#煤层的单孔平均瓦斯抽采量同样为0.05 m3/min，考虑各孔不均衡系数0.8，按施工198孔计算，则下邻近9#煤层的瓦斯抽采量预测为8 m3/min。

（4）低浓度瓦斯抽放系统抽采量预测

为有效消除回风隅角的瓦斯超限问题，需在18403轨道巷内，沿顶板铺设一条管路，然后利用井下低浓度抽采系统对回风隅角及采空区内的低浓度瓦斯进行抽采。根据以往生产经验，该位置预计抽采量为3 m3/min。

（5）抽采率计算

对以上各预测结果进行相加，则总共可抽采瓦斯量为35 m3/min，相应瓦斯抽采率θ=35÷47=74%，大于50%规定，满足要求。

4 瓦斯抽采管路设计

4.1 管路布置

根据钻孔布置情况，在轨道巷右帮安装一趟直径D1的总抽采管路，用于对轨道巷内本煤层及上邻近层抽出的瓦斯进行输送；同时，在轨道巷左帮安装一条直径D2的管路，用于输送采空区内抽出的低浓度瓦斯。另外，在底抽巷内设置直径D3的抽采管路，对底抽巷内下邻近9#煤层抽出的瓦斯进行输送。

4.2 抽采管路选型计算

各瓦斯输送管路的管径规格D见式（3）。

式中：Q为管路中的气体总流量，m3/min；V为管内气体流速，取V=10-15 m/s。

预测本煤层的抽采量15 m3/min，7#煤层9 m3/min，假设管道内的瓦斯浓度为50%，则管道内的混合气体总流量为48 m3/min。另外，若气体流速为12 m/s，则直径D1=0.145 7×（48/12）1/2=291 mm。

低浓度系统抽采量3 m3/min，按管路中瓦斯浓度3%计算，则管道中的总气体流量为100 m3/min，假设气体流速13 m/s，则直径D2=0.145 7×（100/13）1/2=404 mm

因此，应在轨道巷右帮和左帮分别布置相近直径为325 mm、426 mm的不锈钢抽采管路，对相应区域的瓦斯进行抽采。

另外，下邻近9#煤层抽采量8 m3/min，按瓦斯浓度40%计算，管内混合气体流量为20 m3/min，假设气体流速10 m/s，则直径D3=0.145 7×（20/10）1/2=206 mm

因此，应在底抽巷内安装相近直径325 mm的不锈钢管路。

5 结语

1）经预测计算，18403工作面的绝对瓦斯涌出量为47 m3/min，按相关规定，必须对各来源瓦斯进行抽采，且抽采率须超过50%，煤体自身的透气性能也具备抽采的可行性。

2）分析可知，18403工作面应实施“本煤层抽采+上、下邻近层抽采+采空区瓦斯抽采”的综合治理措施，并采用相应封孔工艺保证密封性能，经预测计算，瓦斯抽采率可达74%，满足相关要求。

3）根据钻孔布置情况，应在轨道巷左、右两帮、底抽巷内分别安装直径426 mm、325 mm、325 mm的瓦斯抽采管路，以保证瓦斯安全高效地就近输送。