２０１０年第６期 中州煤炭 总第１７４期 中厚突出煤层顶分层开采瓦斯治理技术研究 白振峰 （河南煤业化工集团鹤煤公司八矿，河南鹤壁４５８０００） 摘要：鹤煤八矿二 煤层由放顶煤开采转变为顶分层开采后，采空区瓦斯大量涌出造成工作面煤壁瓦斯超 限。针对该１＇４题，选取３００２ｌ（中）工作面进行试验研究，制订出适合八矿顶分层开采的瓦斯治理技术。通过 理论分析和现场试验相结合，确定了采用高位钻场钻孔结合顶板垂直钻孔方式抽放采空区瓦斯来解决上隅 角瓦斯超限问题，采用顺层钻孔结合底板穿层钻孔方式抽放本煤层瓦斯来解决煤壁瓦斯超限１４题，并确定了 ＇适合鹤煤八矿的相关抽放钻孔布置参数。 关键词：突出煤层；顶分层开采；瓦斯治理；抽放钻孔布置 中图分类号：ＴＤ７１２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３—０５０６（２０１０）０６—０１０３—０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｇａｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｔｏｐ Ｓｌｉｃｅ Ｃａｖｉｎｇ ｉｎ Ｍｉｄ－ｔｈｉｃｋ Ｃｏａｌ Ｓｅａｍ ｗｉｔｈ Ｏｎｔｂｕｒｓｔ Ｔｒｅｎｄ Ｂａｉ Ｚｈｅｎ￣ｎｇ （Ｎｏ．８ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ，Ｈｅｂｉ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｈｅｎａｎ Ｃｏａｌ ｌｎｄｕｓｔｒ５ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｇａｓ ａｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｗａｓ ｏｕｔ ｏｆ ｇａｕｇｅ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇａｓ ｐｏｕｒｓ ｏｕｔ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｇｏａｆ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌＩ ｌ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｏｆ Ｎｏ．８ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｃｈａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ ｔｏｐ ｃｏａｌ ｃａｖｉｎｇ ｔｏ ｔｏｐ ｓｌｉｃｅ ｃａｖｉｎｇ．Ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｇａｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｔｏｐ ｓｌｉｃｅ ｃａｖｉｎｇ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｆｆ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ Ｏｌｌ ３００２ １ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ， ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｔｈｅ ｇａｓ ｂｅ ｏｕｔ ｏｆ ｇａｕｇｅ ａｔ ｕｐｐｅｒ ｃｏｒｎｅｒ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｈｉｇｈ—ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ｈｏｌｅｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｗｉｔｈ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏｏｆ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈａｔ ｅｘａｃｔｉｎｇ ｇａｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒａｔａ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｄｒａｉｎａｇｅ ｂｏｒｅｈｏｌｅｓ ｃａｎ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｇａｓ ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒａｉｎａｇｅ ｈｏｌｅｓ ａｄａｐ— ｒｉｎｇ ｔｏ Ｎｏ．８ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ａｔ ｌａｓｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ—ｇａｓ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｃｏａｌ ｓｅａｍ；ｔｏｐ ｓｌｉｃｅ ｃａｖｉｎｇ；ｇａｓ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｉｓｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｄｒａｉｎａｇｅ ｈｏｌｅｓ ｌ 问题的提出 瓦斯灾害是煤矿安全生产的重大灾害之一，随 着矿井开采深度的增加，瓦斯含量越来越大，回采期 空区内遗煤以及＿Ｔ作面落煤向采空区内涌入的瓦斯 大量增加，采空区瓦斯涌出量占采面瓦斯涌出总量 的比例增大。由于瓦斯密度比空气密度小，当瓦斯 与空气共存时，瓦斯会上浮飘移，并随采空区扩散风 集中涌向工作面上隅角，造成上隅角和回风流中瓦 斯浓度超限，给安全生产带来严重威胁。以往仅靠 间的瓦斯涌出量也随之增加。我国大部分煤矿目前 已经进入深部开采阶段，大多数煤层的埋藏深度超 过５００ Ｉｌｌ，有的甚至超过１ ０００ ｒｎ，绝大多数可开发 增加回采工作面配风量来降低上隅角和回风巷瓦斯 浓度的方法效果差，即使采用了瓦斯抽采技术，南于 钻孔布置和抽采方法存在一定的不足，加之煤层透 利用的煤层瓦斯资源也赋存在深部煤层。鹤煤八矿 煤层开采深度在５００ ｍ以上，矿井瓦斯涌出量大。 煤层在回采期问，由于回采＿丁作面机械化程度和产 量的提高，使得瓦斯涌出量也相应增加，由煤柱、采 气性差等因素的制约，瓦斯抽采率和抽采量都很低， 钻孑Ｌ百米瓦斯抽放率衰减速度较快，瓦斯抽采效果 不太理想。圜此，采取有效措施提高钻孔抽采瓦斯 浓度和抽采瓦斯量，减少工作面回采期间采空区瓦 斯涌出，将对回采工作面的生产安全和提高生产效 益具有重要意义。 ．收稿日期：２Ｏｌ０—０４—１４ 作者简介：白振峰（１９８５一），男，河南安阳人，助理工程师，２００８年 毕业于河南理工大学，现从事“一通三防”技术管理１ 作。 １０３． ２０１０年第６期 中州煤炭 总第１７４期 ２矿井概况 鹤煤八矿位于鹤壁矿区南部，井田南北走向长 ５．２５ ｋｍ，东西倾向宽１．７～１．９ ｋｍ，面积约７．９ 煤厚６—９ ｍ，平均煤厚８ ｍ，煤厚均匀稳定，煤层结 构简单，无夹石层。 （２）地质构造。该工作面内地质构造简单，没 有断层。仅在工作面南部有一Ｆ ，． 断层，北部有 ２Ｆ，断层，对工作面回采没有影响，褶曲不发育。 （３）瓦斯及煤层自燃情况。该工作面瓦斯含量 高，煤层瓦斯储量为８９０．５７万ｍ 。瓦斯涌出量大， 绝对瓦斯涌出量最大为６．７ ｍ ／ｒａｉｎ，最小为４．３ ｋｍ 。矿井开拓方式为立井、斜井混合开拓方式。 矿井通风方式为混合式通风，通风方法为机械抽放 式通风，采用“四进二回”的格局布置，即工业场地 主井、大胶带斜井、中央进风井、南窑风井为进风井， 工业场地副井、桐家庄新风井为回风井。全矿进风 量为１１ ５４３ ｍ ／．ｍｉｎ，总回风量１１ ８３７ ｍ ／ｍｉｎ，矿井 有效风量率８７．１％。目前布置有３０采区、３１采区 和３２采区，３个生产采区均实现了分区通风，通风 能力能够满足矿井生产需求。 ２００２年８月，经抚顺煤科院鉴定为突出矿井。 八矿所开采的二，煤层属于中厚煤层，先前采用一 次采全高放顶煤开采法开采。２００５年后，鹤煤集团 公司禁止二。煤层采用一次采全高放顶煤方式开 采，改用分层方式开采。 每个采区除布置有轨道、运输下山外，另分别布 置１～２条回风下山。根据煤层赋存条件和开采技 术条件，回采工作面采用走向长壁顶分层和网下放 顶煤开采，全部垮落法控制顶板，工作面长度１２０～ １４０ ｍ。 ３工作面概况 ３００２１（中）工作面位于矿井井田中部，上部是 ２２０６采空区，下部为未开采的３００４工作面，南部是 Ｆ５３－２断层，北部是２Ｆ：断层。工作面标高为一４５７．６ ～～４６０．０ ｍ，地面标高为＋１５０ ｍ，埋深为６０７．６～ ６１０．０ ｍ。３００２１（中）工作面布置如图１所示。 图１ ３００２１（中）工作面巷道布置示意 （１）煤层赋存情况。该工作面走向长２５５ ｍ，倾 斜长１６０ ｍ，面积４２ ２８５ ｍ ，开采二。煤层。煤层赋 存走向ＮＥ，倾向ｓＥ，倾角２４。～２６。，平均倾角２５。， ・１０４・ ｍ ／ｒａｉｎ，平均５．３ ｍ ／ｍｉｎ；相对瓦斯涌出量最大 １２．０ ｍ ／ｔ，最小９．５ ｍ ／ｔ，平均１ｌ ｍ’／ｔ。 ４ 瓦斯治理技术方案及效果考察分析 ４．１ 治理上隅角瓦斯超限技术 （Ｉ）顶板垂直钻孑Ｌ抽放采空区瓦斯。３００２１ （中）工作面平均煤厚８ ｍ，顶分层开采后，厚５—６ ｍ的下分层在采动作用下卸压，会向采空区涌出大 量瓦斯。为了抽放采空区瓦斯并解决上隅角的瓦斯 超限问题，在工作面回风巷每隔２０ ｍ距上帮０．５ ｍ 垂直向上施工２个 ｌ１０ ｍｍ、孔深１０ ｍ、倾角分别 为９０。和８５。的穿层钻孑Ｌ（图２、图３），然后在钻孔内 预留 ７５ ｍｍ钢花管，钢花管上端７ ｍ段布置花眼， 钢花管下部焊接三通，利用 １００ ｍｍ的钢管引出与 ３００ ｍｍ埋管连接，立管四周打好木垛加以保护， 随工作面推进埋入采空区进行抽采。 图２顶板垂直钻孔施工布置示意 图３顶板垂直钻孔与采空区“三带’’关系示意 经统计，采用顶板垂直钻孔抽放采空区瓦斯治 理技术后，抽放浓度稳定柱４％左右，抽放纯量稳定 在１．８ ｍ ／ｒａｉｎ，且维持时间较长。 ２０１０年第６期 白振峰：中厚突出煤层顶分层开采瓦斯治理技术研究 总第１７４期 （２）分段走向高位钻孑Ｌ抽放采空区瓦斯。在回 采工作面回风巷距切眼９０ ｍ处掘第一高位钻场，沿 采面走向向外每隔７０ ｍ掘另一高位钻场，高位钻场 底板高出煤层顶板５ ｍ。在钻场内，向工作面切眼 方向打８～１２个 １１０ ｍｍ钻孑Ｌ，钻孔呈扇形布置， 钻孔长度９０～ｌ１０ ｍ，两钻场钻孔压茬距离为２０ ｍ， 终孔位置落到距工作面切眼上方６～１０ ｍ处，沿工 作面倾斜方向控制范围为３０～４０ ＩＨ（图４）。 图４ 高位钻场及钻孑Ｌ布置 高位裂隙抽放钻孔的连接带抽方式为：用 １００ ｍｍ钢管引至钻场口，每个钻场引出６根抽放管，与 工作面回风巷 ３００ ｍｍ抽放支管进行连接，每根抽 放管上加闸门、孔板、观测孔，分别观测流量、浓度、 负压；并在采面推进过程中，根据浓度、流量等实际 情况通过闸门调节钻孑Ｌ流量，以保证各高位钻场钻 孔处于最佳抽放状态。 采用高位钻场钻孑Ｌ抽采瓦斯后，由于抽采钻孔 布置在采空区和工作面上覆岩层的裂隙带内，裂隙 带中的裂隙与工作面上隅角构成了一个连通系统。 裂隙钻孔的抽采负压大大高于工作面处的风流负 压，同时瓦斯又会升浮流人裂隙内，然后流入顶板裂 隙钻孑Ｌ内，其瓦斯流场如图５所示。升浮在裂隙内 的大量瓦斯就会被裂隙钻孔抽出去，从而降低了工 作面上隅角和回风巷的瓦斯浓度。 顶板垂直钻孔和高位钻场抽放采空区瓦斯都是 利用瓦斯密度比空气小，瓦斯大量富集在采空区的 裂隙带内的原理，将钻孔终孔位置落于裂隙带内，从 而抽出大量高浓度瓦斯。对比分析顶板穿层钻孑Ｌ和 高位钻场抽放可以发现，４个月来，顶板穿层钻孔共 抽出瓦斯２３．５万ｍ ，同期，高位钻场共抽出瓦斯 ３６．９９万ｍ’。若只采取其中任意一项抽放措施，都 不能很好地解决采空区瓦斯问题。因此，采用顶板 垂直钻孔结合高位钻场抽放采空区瓦斯的方法来解 决上隅角瓦斯超限问题。 图５ 高位钻场抽采瓦斯流场示意 ４．２本煤层瓦斯抽放技术 在３００２１（中）工作面运输巷上帮沿煤层倾斜方 向，每隔１．４ ｍ施工１个抽放钻孔，孑Ｌ深６０ ｍ，对采 面下部６０ ｍ范围内煤层瓦斯进行抽放；在３００２１ （中）工作面回风巷下帮沿煤层倾斜方向，每隔１．４ ｍ施工１个抽放钻孑Ｌ，孔深４０～５０ ｍ，对采面上部 ５０ ｍ范围内煤层瓦斯进行抽放。 ４．３底板岩中巷穿层钻孔瓦斯抽放技术 在３００２岩中巷施工穿层抽放钻孔进行预抽，每 隔１０ ｍ布置１个钻场，每个钻场施工９个穿层钻 孔，预抽工作面运输巷附近瓦斯，钻孑Ｌ ９４ ｍｍ，钻 孔终孔位置落到煤层顶板上；之后，在每个钻场中又 补充施工９个钻孔，钻孑Ｌ沿煤层倾斜方向呈扇形布 置，钻孔 ９４ ｍｍ，钻孔全部穿透煤层，终孔位置落 到煤层顶板上，对工作面本煤层抽放不到地点的瓦 斯进行预抽。 ５ 结论 （１）八矿３００２１采面应用本煤层钻孔、穿层钻 孔、顶板垂直钻孔、上隅角埋管、高位钻孔抽放等综 合抽放技术，有效地解决了回采过程中，尤其是初采 初放期间瓦斯超限问题，取得了良好的效果。 （２）采用高位钻场钻孔结合顶板穿层钻孔方式 抽放采空区瓦斯来解决上隅角瓦斯超限问题切实可 行。高位钻场钻孔终孔层位应高于１０ ｍ，水平距巷 道应大于７ ｍ。 （３）采用顺层钻孔结合底板穿层钻孔方式抽放 本煤层瓦斯来解决煤壁瓦斯超限问题切实可行。顺 层钻孔主要控制巷道附近的本煤层瓦斯，底板穿层 钻孔主要控制工作面“空白带”瓦斯。 （４）３００２１（中）工作面自２００６年１０月１０日投 产以来，配备风量８００～９００ ｍ ／ｒａｉｎ，回风瓦斯浓度 ０．５０％～０．６５％，工作面上隅角瓦斯浓度０．６％～ ０．９％，从未因为瓦斯超限影响安全和生产，保证了 采面安全生产。 （责任编辑：刘光雨） ．１ ０５・