王忠輝

（南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

南莊礦井12號煤層卸壓瓦斯分源抽采技術(shù)的研究和運(yùn)用

王忠輝

（南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

在礦井瓦斯賦存的基礎(chǔ)上，結(jié)合上鄰近煤巖層采動裂隙場演化及分布規(guī)律的相關(guān)理論，探索上鄰近煤巖層采動卸壓瓦斯分布富集規(guī)律，研究12號煤層卸壓瓦斯分源抽采技術(shù)并進(jìn)行運(yùn)用，有效進(jìn)行瓦斯防治，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

礦井瓦斯；煤層卸壓；抽采

1 礦井概況

南煤集團(tuán)南莊礦井位于陽泉市正南2.0 km處。井田面積11.84 km2，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為200萬t。井田位于沁水坳陷東部邊緣的北段，主要含煤地層為石灰系上統(tǒng)太原組和二迭系下統(tǒng)山西組，上組煤3號、6號煤已采完，現(xiàn)開采下組煤12號、15號煤。開拓方式為斜井采區(qū)式，12號煤采用走向長壁薄煤層綜采工藝，15號煤采用走向長壁低位放頂綜采工藝，頂板管理為全部垮落法。12號煤層均厚1.22 m，頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、中砂巖、細(xì)砂巖。

煤系地層中，各煤層均含有瓦斯，另外K2、K3、K4三層石灰?guī)r也是主要的儲氣層。12號煤層開采時，其瓦斯主要來源于煤層本身及上下鄰近層和石灰?guī)rK3、K4，15號煤層開采時，其瓦斯主要來源于上鄰近層和石灰?guī)rK2。

礦井有12號和15號煤兩個通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)方式為中央分列式，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式。12號煤層采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)為“兩進(jìn)一回”，回采工作面系統(tǒng)為“一進(jìn)一回”，另配一條瓦斯抽采巷；15號煤層采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)為“三進(jìn)一回”，回采工作面系統(tǒng)為“一進(jìn)一回”。

地面瓦斯抽采泵站裝備有CBF610型、2BEC72型和2BEC80型水環(huán)真空泵各2臺，從地面到井下敷設(shè)三趟抽放主管路。抽放工藝包括本煤層預(yù)抽、鄰近層卸壓鉆孔抽放、鄰近層高抽和采空區(qū)抽放。

2 12號煤層工作面上覆巖層采動裂隙分布規(guī)律

根據(jù)上覆巖層“豎三帶”、“橫三區(qū)”理論和關(guān)鍵層理論，結(jié)合12號煤層現(xiàn)場條件，對工作面上覆巖層采動裂隙分布規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 工作面概況

太原組12號煤層厚度平均1.22 m，傾角約5°～7°，平均6°，賦存穩(wěn)定。12號煤層工作面設(shè)計(jì)長度180 m，采高1.5 m，采用走向長壁薄煤層綜采工藝，全部垮落法管理頂板。12號煤層工作面共布置兩條巷道：一條為軌道運(yùn)輸巷兼作回風(fēng)巷，斷面為11.88 m2；一條為皮帶運(yùn)輸巷兼作進(jìn)風(fēng)巷，斷面為11.88 m2。另外有一條專用抽采巷，斷面為12.42 m2。12號煤層的主要鄰近層有6號、8號、9號、10號、11號、13號煤層，其中13號煤層為下鄰近層，其余為上鄰近層。

2.2 “豎三帶”發(fā)育高度

12號煤層上覆巖層中大部分巖層的抗壓強(qiáng)度在40 MPa以上，因此其上覆巖層的巖性為堅(jiān)硬。套用“豎三帶”經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，冒落帶最大發(fā)育高度為9.89 m，裂隙帶最大發(fā)育高度為45.50～46.94 m。由此可知，冒落帶最高發(fā)育至11號煤層底板細(xì)砂巖，裂隙帶最高發(fā)育至8號煤層底板中砂巖。

2.3 關(guān)鍵層位置判別

根據(jù)上述分析可知，12號煤層上覆巖層中對巖層控制起作用的關(guān)鍵層有三層，分別為：

關(guān)鍵層I：12號煤層底板細(xì)砂巖，厚度為3.80 m，與12號煤層的垂距為6.00 m；關(guān)鍵層II：10號煤層頂板中砂巖，厚度為13.38 m，與12號煤層垂距為14.89 m；關(guān)鍵層III：8號煤層底板中砂巖，厚度15.93 m，與12號煤層垂距35.26 m。

在三個關(guān)鍵層中，關(guān)鍵層I、關(guān)鍵層II為亞關(guān)鍵層，關(guān)鍵層III為主關(guān)鍵層。

3 4609工作面上鄰近層卸壓瓦斯富集規(guī)律及抽采技術(shù)的研究和運(yùn)用

3.1 12號煤層上鄰近層卸壓瓦斯富集規(guī)律

12號煤層上鄰近層卸壓瓦斯出現(xiàn)分區(qū)富集的特點(diǎn)：12號煤層工作面回采過程中，對工作面瓦斯涌出影響較大的是8號、9號、10號、11號煤層以及K4石灰?guī)r，以關(guān)鍵層II（10號煤層頂板中砂巖）為界，位于關(guān)鍵層II下部的10號、11號煤層和K4石灰?guī)r主要構(gòu)成了低位瓦斯富集區(qū)，該區(qū)域處在冒落帶和裂隙帶的過渡區(qū)域，離12號煤層較近；位于關(guān)鍵層II以上的8號、9號煤層主要構(gòu)成了高位瓦斯富集區(qū)，該區(qū)域位于裂隙帶和彎曲下沉帶的過渡區(qū)域，與12號煤層層間距較大。

3.2 4609工作面上鄰近層卸壓瓦斯分源抽采技術(shù)方案

由于高位瓦斯富集區(qū)和低位瓦斯富集區(qū)的垂直間距較大，其各自向12號煤層工作面的涌出特征也有所相同，根據(jù)以往所采12號回采工作面鄰近層卸壓瓦斯抽采經(jīng)驗(yàn)，僅用一種抽采鉆孔同時解決兩個區(qū)域的卸壓瓦斯效果較差，工作面瓦斯防治有所困難。因此研究采用12號煤層上鄰近層采動卸壓瓦斯分源抽采技術(shù)，即針對上鄰近層卸壓瓦斯高、低位分區(qū)富集的特點(diǎn)，分別布置高位鄰近層卸壓鉆孔和低位鄰近層卸壓鉆孔分別抽采高位瓦斯富集區(qū)和低位瓦斯富集區(qū)內(nèi)的瓦斯，最終達(dá)到解決12號煤層上鄰近層卸壓瓦斯的目的。

1）在瓦斯分源抽采設(shè)計(jì)過程中主要考慮的因素：

a.根據(jù)南莊礦井12號煤層已采工作面的經(jīng)驗(yàn)分析，工作面回風(fēng)端頭是瓦斯容易積聚的區(qū)域，這一區(qū)域長度大約有60 m，約占工作面全長的1/3。因此抽采鉆孔應(yīng)布置在回風(fēng)巷一側(cè)，伸入工作面60 m以上。

b.高位瓦斯富集區(qū)內(nèi)的瓦斯卸壓、解吸相對于工作面的推進(jìn)在時空上具有一定的滯后性，而低位瓦斯富集區(qū)的瓦斯對回采空間的影響則更直接、更迅速。抽采巷鄰近層鉆孔雖然同時穿過低位和高位瓦斯富集區(qū)，但由于保護(hù)煤柱的隔離作用，鄰近層鉆孔在工作面推過鉆孔后才起作用，無法解決低位富集區(qū)瓦斯在工作面推過后迅速涌出的問題。同時低位瓦斯富集區(qū)煤層多、瓦斯含量高，抽采巷鄰近層鉆孔形成的抽采負(fù)壓場范圍小，不能完全控制低位瓦斯富集區(qū)，應(yīng)考慮在回風(fēng)巷增加低位鉆孔來控制低位瓦斯富集區(qū)的瓦斯涌出問題。

c.鉆孔伸出方向應(yīng)迎向風(fēng)流方向，鉆孔工程量應(yīng)盡可能小。

2）卸壓瓦斯抽采鉆孔技術(shù)方案：

a.考慮高位富集區(qū)瓦斯卸壓、解吸相對工作面開采線的滯后性，高位鉆孔在工作面過鉆孔一段距離后才起作用。同時考慮鉆孔伸入工作面距離以及目前的鉆孔施工技術(shù)條件，高位鉆孔采用抽采巷迎面正交布置，終孔位置到9號煤層頂板，抽采巷與回風(fēng)巷之間的保護(hù)煤柱可使高位鉆孔出煤柱高度達(dá)到合適高度，不會受采動影響而破壞，以保證鉆孔抽采效果。

b.考慮低位富集區(qū)瓦斯卸壓、解吸相對工作面開采線的直接性，低位鉆孔在工作面接近鉆孔或過鉆孔很短距離即可起到作用。同時考慮鉆孔伸入工作面距離以及目前的鉆孔施工技術(shù)條件，低位鉆孔采用抽采巷迎面正交布置，終孔位置到11號煤層頂板，抽采巷與回風(fēng)巷之間的保護(hù)煤柱可使高位鉆孔出煤柱高度達(dá)到合適高度，也不會受采動影響而破壞，以保證鉆孔抽采效果。

c.考慮低位富集區(qū)瓦斯對工作面后部影響的距離較大，在抽采巷布置低位鉆孔的基礎(chǔ)上，在回風(fēng)巷布置低位鉆場予以補(bǔ)充，以徹底解決低位富集區(qū)瓦斯，避免對工作面后部及上隅角的瓦斯影響。低位鉆場的鉆孔采用在回風(fēng)巷開孔，與工作面斜交迎向布置，鉆孔呈扇形迎向工作面方向，有利于瓦斯抽采。終孔位置沿工作面方向分布在80 m范圍，形成多個負(fù)壓場，不僅與瓦斯富集范圍相一致，而且分段截流低位富集區(qū)卸壓瓦斯，減弱了工作面后部的瓦斯累積效應(yīng)，減少了風(fēng)排瓦斯量及采空瓦斯殘留量。鉆場相互接力，使負(fù)壓場隨工作面推進(jìn)而推進(jìn)，始終處于低位瓦斯富集區(qū)開始卸壓的范圍，能夠及時有效控制該區(qū)域的卸壓瓦斯。

3.3 4609工作面上鄰近層采動卸壓瓦斯分源抽采設(shè)計(jì)

上鄰近層采動卸壓瓦斯分源抽采技術(shù)在南莊礦井4609工作面實(shí)施取得了良好效果，根據(jù)對抽采效果的考察以及實(shí)際抽采過程中積累的經(jīng)驗(yàn)，逐步對抽采技術(shù)體系進(jìn)行改進(jìn)，并推廣應(yīng)用到以后回采工作面。圖1為4609工作面鄰近層抽采鉆孔布置示意圖。

在4609工作面抽采巷共布置200個上鄰近層抽采鉆孔，其中高位孔65個，低位孔135個。低位孔終孔層位打到11號煤層頂板石灰?guī)r，高位鉆孔打到9號煤層頂板。高、低位鉆孔均垂直于抽采巷。每兩個高位鉆孔之間布置兩個低位鉆孔，高位鉆孔間距20 m，低位鉆孔間距10 m。

回風(fēng)巷鉆場瓦斯抽采鉆孔布置參數(shù)：在4609工作面副巷布置66個低位瓦斯抽采鉆場，鉆場間距20 m，每個鉆場4個低位鉆孔，呈扇形布置。抽放作用覆蓋距工作面回風(fēng)巷80 m范圍，鉆孔終孔伸入工作面投影位置分別為20 m、40 m、60 m、80 m。

鉆孔施工及封孔：使用ZDY4000S型全液壓坑道鉆機(jī)用配153 mm鉆頭進(jìn)行施工。封孔段擴(kuò)孔使用93 mm。使用150 mm管配專用封孔材料進(jìn)行封孔，有效封孔長度不小于5 m。

4 結(jié)論

4609工作面于2013年5月份開始回采，2014年9月份停采。在采用上鄰近層卸壓瓦斯分源抽采技術(shù)方案后，工作面系統(tǒng)巷道內(nèi)瓦斯涌出狀況較以往明顯改善，生產(chǎn)期間上隅角、工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛蕊@著降低，工作面鄰近層瓦斯抽采量持續(xù)在60～70 m3/min左右，工作面瓦斯抽采率始終保持在85%以上。

根據(jù)上鄰近層卸壓瓦斯富集規(guī)律分析和上鄰近層卸壓瓦斯分源抽采技術(shù)方案的效果考察和分析，得出以下結(jié)論：

1）12號煤層上鄰近層采動卸壓瓦斯的高、低位分區(qū)富集規(guī)律：12號煤層回采期間，對工作面瓦斯涌出影響較大的是8號、9號、10號和11號煤層及石灰?guī)rK4，位于關(guān)鍵層II下部的10號、11號煤層和石灰?guī)rK4主要構(gòu)成低位瓦斯富集區(qū)，位于關(guān)鍵層II以上的8號、9號煤層主要構(gòu)成高位瓦斯富集區(qū)。

2）針對上鄰近層卸壓瓦斯高、低位分區(qū)富集的特點(diǎn)，提出了礦井12號煤層上鄰近層采動卸壓瓦斯抽采技術(shù)方案。通過在12號煤層4609工作面的示范應(yīng)用，有效解決了工作面回采期間瓦斯涌出量大的問題，加快了推進(jìn)度，單產(chǎn)也大幅提高，充分證明該抽采技術(shù)在礦井具有顯著的有效性和廣泛的適應(yīng)性。

3）確定了12號煤層工作面上鄰近層采動卸壓瓦斯分源抽采技術(shù)體系：高位鉆孔采用抽采巷正交布置，終孔位置到9號煤層頂板，伸入工作面35 m范圍內(nèi)；低位鉆孔分抽采巷低位鉆孔和回風(fēng)巷低位鉆孔：抽采巷低位鉆孔采用抽采巷正交布置，終孔位置到11號煤層頂板，伸入工作面15 m范圍內(nèi)；回風(fēng)巷鉆孔采用斜交迎向呈扇形布置，終孔位置到11號煤層，伸入工作面80 m范圍內(nèi)。

4）4609工作面在實(shí)施瓦斯分源抽采技術(shù)方案后，抽采效果明顯改善，工作面風(fēng)流瓦斯?jié)舛却蠓陆?，工作面單產(chǎn)大幅提升，未發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象。今后將進(jìn)一步研究初采期間配套抽采技術(shù)，使礦井12號上鄰近層采動卸壓瓦斯分源抽采技術(shù)體系更加完善。

（編輯：薄小玲）

3 結(jié)束語

瓦斯抽采是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要在實(shí)踐中不斷優(yōu)化和改善各個技術(shù)環(huán)節(jié)，逐步完善抽采工程。

本文利用AHP模型將影響煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀的各個因素進(jìn)行了評價(jià)分析，并得出了各個因素的權(quán)值，我們可以依據(jù)權(quán)值的排序，有計(jì)劃、有目的地優(yōu)化抽采系統(tǒng)和改進(jìn)技術(shù)措施，對煤礦瓦斯治理有一定實(shí)踐指導(dǎo)意義。

「1]國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程「M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006．

「2]程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展「J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，2（26）：127-139．

「3]劉捷.基于AHP模型的煤礦安全預(yù)評價(jià)「J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，25（3）：66-69．

「4]楊亞帆，張洋.貴州小型煤礦瓦斯抽采現(xiàn)狀評價(jià)體系的研究「J].煤炭學(xué)報(bào),2014，6（33）：246-248．

「5]張書金，李紹泉，李樹清，等.基于層次分析法的煤礦瓦斯抽采技術(shù)成熟度評價(jià)「J].煤礦安全，2013（9）：169-172．

Abstract:Gas problem has restricted the production and development of mines for a long time.Gas drainage is an effective way to realize the coal and gas simultaneous extraction.Based on AHP model (analytic hierarchy process),an index system on gas drainage could analyze a series of factors which could influence the gas drainage technology development.The study could be helpful for the improvement of the gas drainage.

Key words:gas drainage;analytic hierarchy process;index system

（編輯：劉新光）

Research on Relieved Gas Drainage with Different Sources in Coal Seam 12 in Nanzhuang Mine

WANG Zhonghui (Nanzhuang Coal Group,Yangquan 045000,China)

On the analysis of gas occurrence in mines,combined with the fracture field development and distribution rules of adjacent upper seam mining,gas distribution and enrichment regularity caused by pressure relief of the adjacent upper seam were explored.The gas drainage technology with different sources of seam 12 was studied and used to realize the gas control and safety production.

gas in mine;coal pressure relief;drainage

On Evaluation System of Gas Drainage in Mines Based on AHP Model

LIU Jie
(Datong University,Datong 037003,China)

TD712

A

1672-5050（2015）01-0012-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.005

2014-10-15

王忠輝（1962-），男，山西祁縣人，大學(xué)本科，工程師，從事煤礦開采管理工作。