潞安高产高效综放工作面瓦斯治理技术.docx
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潞安高产高效综放工作面瓦斯治理技术
潞安高产高效综放工作面瓦斯治理技术
摘要：
本文就潞安单一厚煤层条件下高产高效综放工作面瓦斯治理技术进行了系统分析和研究，结合现场实践提出了一些新的技术途径并进行了探索。
关键词：
综放工作面；高产高效；瓦斯治理
综放开采作为高产高效回采技术正在得以快速发展。
潞安矿区从二十世纪九十年代初期开始应用综合机械化放顶煤开采技术以来，经过十多年的发展，从高位放顶煤发展到低位放顶煤，生产工艺和设备配套技术渐趋成熟，产量从初期的每月10万吨提升到目前的每月30万吨以上，最高可达每月50万吨，产量和效率逐年攀升，取得了很好的经济、社会效益。
但是，随着开采深度的不断延伸，潞安矿区的煤层瓦斯含量呈上升趋势，部分低瓦斯矿井延伸至高瓦斯区，其中常村矿和屯留矿均为高瓦斯矿井。
由此造成矿井高产高效与高瓦斯涌出量的矛盾越来越突出，通风系统的排放瓦斯能力已成为制约综放面产量和效率进一步提升的瓶颈。
1潞安矿区概况
潞安矿区位于山西省沁水煤田东部边缘中段，现主采二迭系下统山西组3#煤层，煤质为贫瘦煤。
煤层赋存条件较好，大部分为近水平煤层或缓倾斜煤层，倾角3～5度，局部可达10度以上，埋藏深度200～600米，平均厚度6.45m，硬度f＝1～2。
煤层无自燃发火倾向，煤尘有爆炸危险性。
顶板为中等稳定，随采随落。
矿区现有5对生产矿井，3对在建矿井，生产工艺以综放开采为主，采煤机械化程度100%。
2004年五对生产矿井核定生产能力1950万吨/年，实际年产量突破两千万吨。
1.1矿区瓦斯地质情况
潞安矿区的煤层属富含瓦斯的煤层。
煤层孔隙率为6.71%～2.04%，实验室测定煤的瓦斯放散初速度为16～23，瓦斯吸附常数（极限吸附瓦斯量）高达26.2098～34.389m3/t左右。
具体参数如表1-1所示。
表1-1矿区部分矿井3＃煤层瓦斯基本参数
井田瓦斯含量（m3/t）百米钻孔瓦斯涌出量（m3/min•hm）透气性系数（m2/MPa2•d）钻孔瓦斯流量衰减系数（d-1）井田面积（km2）瓦斯储量（Mm3）
常村井田1.47～20.3（9.01）0.0012～0.00210.0605～0.12090.2862～0.606883.77960.80
五阳井田6.15～7.950.0110～0.27400.1790～17.74250.0218～0.162678.3649984.891
1.2瓦斯涌出情况
在二十世纪九十年代初期，矿区5对生产矿井，均为低瓦斯矿井，由于开采深度相对较浅，开采强度也较低，推广综放开采技术后，工作面回风流中的瓦斯浓度虽然比分层开采时明显增大，特别是工作面上隅角瓦斯有积聚现象，但通过强化通风，仍可控制在安全范围内。
九十年代后期，随着设备能力的提升和综放工艺的成熟，开采强度不断增大，加上生产采区不断向深部的高瓦斯区延伸，瓦斯涌出量不断上升。
根据2004年瓦斯等级鉴定结果，五对生产矿井中，常村矿为高瓦斯矿井，五阳矿虽为低瓦斯矿井但存在高瓦斯区。
2005年1月份五对生产矿井平均相对瓦斯涌出量为3.58m3/t。
其中：
常村矿：
矿井瓦斯绝对涌出量为64.47m3/min，相对涌出量为5.07m3/t。
采煤工作面平均瓦斯绝对涌出量为6.26m3/min，掘进工作面平均瓦斯绝对涌出量为2.25m3/min。
五阳矿：
矿井瓦斯绝对涌出量为28.7m3/min，相对涌出量为8.83m3/t。
采煤工作面平均瓦斯绝对涌出量为4.24m3/min，掘进工作面平均瓦斯绝对涌出量为5.48m3/min。
2高瓦斯条件下综放面高产高效面临的问题
随着煤层瓦斯含量增高和瓦斯涌出量的不断加大，矿井的通风压力越来越大，高产高效与高瓦斯涌出量的矛盾越来越严重。
2.1瓦斯超限成为制约综放面产量效益进一步提升的瓶颈
潞安矿区从九十年代初期开始应用综放开采技术以来，经过十多年时间的发展，工作面单产已经从初期的每月10万吨左右提升到现在的每月30万吨以上，最高可达每月50万吨。
从国外长壁开采技术的发展趋势来看，要进一步提升综放面的产量和效率，主要途径有两条：
一是发展大功率采掘装备，进一步加快工作面的采掘推进速度；二是进一步加大工作面的几何尺寸，减少采准巷道的掘进工程量。
但是，从潞安矿区的实际情况来看，由于瓦斯涌出量不断增加，在矿井通风能力难以大幅度提高的条件下，这两个途径都遇到了较大的障碍：
（1）五阳矿7506综放面是该矿进入高瓦斯区后布置的第一个工作面。
掘进过程中，由于瓦斯涌出量较大，绝对涌出量一般在6.0m3/min左右，最高达8.0m3/min，掘进速度受到严重影响。
[换行]回采过程中，初期瓦斯涌出量为4.9m3/min；工作面推进8m后，开始初次放顶煤，瓦斯涌出量达到8.3m3/min；推进20m后，伴随着顶板初次来压，瓦斯涌出量上升到16～18m3/min左右，最高曾达到21.04m3/min，大大超出了预计的瓦斯涌出量，虽然采取了调风措施，使回风巷的风量达到1200m3/min，瓦排巷风量达到470m3/min，但工作面上隅角、回风巷和瓦排巷的瓦斯浓度仍然超限，因此被迫采取限产措施，工作面生产由原来的每日4个循环调整为1个循环。
即使如此，割煤、放煤过程中，上述地点的瓦斯浓度仍有超限现象，经常需要停机等待，产量和效率都受到严重影响。
（2）采准巷道的安全快速掘进，是保证综放面高产高效的一个重要条件。
潞安从九十年代初期以来，依靠大功率局扇和大直径强力风筒，成功的实现了长距离独头巷道的安全快速掘进，正常掘进速度每月500米—600米，最高水平达到每月700米以上，独头巷道掘进长度超过2000米。
近年来，随着瓦斯涌出量的不断加大，独头巷道的掘进通风问题逐渐成为影响快速掘进的主要因素之一。
五阳、常村矿由于瓦斯问题，采用两台局扇、两条直径为1米的风筒通风，才能勉强满足通风要求。
如果进一步提高巷道独头掘进的速度和长度，依靠单一的局扇通风方式已经很难满足快速掘进的通风要求。
2.2部分区域存在煤与瓦斯突出的可能性
《防治煤与瓦斯突出细则》中，用煤的破坏类型、瓦斯放散初速度指标（△P）、煤的坚固性系数（f）和煤层瓦斯压力（P）等指标来判断煤层突出危险性,并规定预测煤层突出危险性指标的临界值，应根据矿井的实测资料确定，如无实测资料时，参考值为：
煤的破坏类型为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，煤层瓦斯压力≥0.74MPa，△P≥10，f≤0.5。
目前，潞安矿区五阳矿、常村矿的部分生产区域，3#煤层瓦斯压力为0.5～0.72MPa，煤的瓦斯放散初速度指标△P为16～23，煤的坚固性系数f一般为0.3～0.56，均超过《防治煤与瓦斯突出细则》中推荐的参考值。
因此，在这部分区域中，存在煤与瓦斯突出的可能性。
这显然会严重影响综放面高产高效生产能力的发挥，并对矿井的生产安全构成了严重威胁。
3瓦斯治理技术措施及实施情况
近年来，潞安矿区针对瓦斯涌出量不断增大，综掘面、综放面上隅角及瓦排巷的瓦斯超限，影响综放开采高产高效能力进一步提升的实际问题，坚持“以思想教育为先导，以制度建设为基础，以科技进步和技术装备为支撑，以一通三防和防治瓦斯突出为重点”的安全工作指导思想，在不断强化安全管理，确保安全生产的同时，坚持走科技进步的道路，投入大量资金，采取多种措施综合治理瓦斯，取得了一定的成效。
3.1优化通风系统，提高[换行]通风能力
治理瓦斯，通风是基础。
通过优化矿井通风系统，缩短通风路线，提高通风能力，加大工作面进风量，是缓解瓦斯问题的有效手段之一。
潞安矿区的五对生产矿井中，除常村矿为1998年投产的新矿井外，其他四对矿井均为已有几十年历史的老矿。
随着开采深度的不断延伸，大部分矿井都存在通风路线过长、通风阻力过大的问题。
例如五阳矿76采区是五阳矿的扩区，原设计只在采区北部边界增加一眼回风井，由于进风路线过长，通风阻力过大，采区风量不足，严重制约生产。
后经优化设计，在采区北部边界增加一眼进风井，并对整个矿井的通风系统进行了全面调整，使得76采区通风能力不足的问题得到彻底解决，采区年生产能力提高到了230万吨。
3.2合理布置巷道，最大限度地增加风排瓦斯能力
潞安矿区开采的3＃煤层属于单一厚煤层，其上下均无临近层的瓦斯涌出，因而工作面瓦斯几乎全部来自本煤层。
本煤层的瓦斯涌出主要由3部分组成，即工作面暴露煤壁瓦斯涌出、采落煤炭（包括放落煤炭）瓦斯涌出和采空区遗煤的瓦斯涌出。
根据五阳矿7506综放工作面投产以后前两个月的观测，工作面绝对瓦斯涌出总量为18.9m3/min，其中煤壁瓦斯涌出为5.3m3/min，占工作面瓦斯涌出总量的28%；落煤的瓦斯涌出量为4.6m3/min，占24.4%，采空区遗煤的瓦斯涌出量为9.0m3/min，占47.6%。
由此可见，综放工作面的瓦斯涌出，几乎有一半是来自于采空区遗煤。
风流从进风巷经过采场时，有一部分风流从进风侧进入支架后部的采空区，又从回风侧由采空区逐渐返回到工作面，并将采空区内的较高浓度的瓦斯带进工作面。
实测数据表明，靠近回风巷上隅角，从采空区返回的风量最大，带出的瓦斯量也大，致使上隅角附近瓦斯浓度增高，这就是上隅角瓦斯经常超限的原因。
针对综放工作面U型通风方式风排瓦斯能力小、上隅角容易积聚瓦斯的问题，根据采面煤层地质条件、回采工艺、瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯涌出量、巷道布置方式等综合因素,因地制宜采用E型（瓦排巷内错沿顶板布置）、U+L型（瓦排巷外错沿底板布置）或Y型（回风巷后留小断面瓦排巷）巷道布置方式，使得从采空区带出的瓦斯通过瓦排巷排出，减少工作面上隅角的瓦斯积聚。
实践证明，综放工作面增加瓦排巷，对于缓解工作面瓦斯超限，保证正常生产，起到了一定的积极作用。
3.3积极探索瓦斯抽放技术，从根本上解决瓦斯问题
在开采之前，对煤层瓦斯进行预抽放，是从根本上解决瓦斯问题的有效途径。
近年来，潞安矿区根据其煤层瓦斯含量逐年增高的特点，积极试验、应用和研发煤层瓦斯预抽放技术，取得了长足的进展。
一是在巷道掘进前利用顺煤层长钻孔对煤层瓦斯进行前期抽放，大幅度降低煤层瓦斯含量，以使瓦斯在掘进过程中不能构成大的威胁；二是在回采前，在工作面运、回两巷以5～10米间隔打平行于切眼的钻孔，对煤体瓦斯进行采前预抽放；三是在回采过程中，在巷道内距工作面一定距离（约80m）布置高位钻场，沿巷道顶板打斜交钻孔，通过裂隙带对采空区及顶煤中的瓦斯进行随采随抽。
通过这些措施，可使工作面煤体瓦斯含量大幅度降低，减少回采过程中的瓦斯涌出量，从而保证了综放工作面产量和效率的进一步提高。
例如：
前文中提到的五阳矿7605综放面，由于瓦斯涌出量过大，无法正常生产。
经过对矿井通风系统的分析认为，进一步增大工作面风量的可能性已很小，因此决定采取瓦斯抽放措施，利用7506工作面尾部放水系统，建立采空区瓦斯抽排系统。
抽放泵站设在7506综放面尾部75-2#排水系统的放水巷内，安装2台SK-85型真空泵进行抽放，泵站设有净水池、潜水泵和气水分离器等安全装置。
从采空区抽出的瓦斯用299mm无缝钢管，经尾巷贯眼密闭送到南翼材料巷，然后通过600mm胶质风筒送到75-2#轨道巷，最终排入75总回风巷。
该系统投入使用后，随着抽放距离的增加和[换行]抽放时间的延长，瓦斯抽放量及抽出风量均在减少。
从10月7日到12月31日，抽出风量减少21％，抽出瓦斯量减少44.4％，抽出的瓦斯浓度由6％下降到4.2％之后，基本稳定在4％左右。
与此同时，工作面的绝对瓦斯涌出量也由18m3/min下降到12.8m3/min，回风流中的瓦斯浓度由原来的1％下降到0.77％，瓦排巷的瓦斯浓度由原来的3％下降到1.5％，上隅角的瓦斯浓度由2.5％下降到0.9％，从而使工作面实现了正规的每天四循环作业。
再如：
五阳矿76采区首采面7601综放面，由于瓦斯涌出量大，工作面掘成后，一直无法回采。
在地面瓦斯抽放站及矿井抽放管路建成后，先在运、回两巷打平行于工作面的钻孔对煤体瓦斯进行预抽，回采过程中在回风巷布置高位钻场，通过斜交钻孔进行裂隙带抽放。
实测数据表明。
工作面投产后，抽放管路中的瓦斯浓度一直维持在8％左右，有效降低了煤体中的瓦斯含量，回风流及上隅角瓦斯浓度始终控制在1％以下，保证了正常生产。
4瓦斯抽放新技术探索
4.1连续采煤机双巷掘进技术
从历史角度来看，双巷掘进技术并不是一种新的掘进工艺，而是一种较为传统的掘进工艺。
由于双巷掘进占用设备多，掘进效率低，同时存在其中一条巷道闲置时间过长，维护费用高等问题，因此从上世纪九十年代以来，随着长距离单巷掘进通风技术及配套装备的成熟，在低瓦斯矿井中，双巷掘进方式已经很少应用。
但是，随着瓦斯的增高，长距离独头通风越来越困难，决定长距离单巷掘进速度的主要因素，不再是设备和工艺能力，而是瓦斯问题。
在这种条件下，双巷掘进的特殊功能重新得到人们的重视。
而双巷掘进的先天缺点，则由于设备的发展和工艺的改进而逐步被克服。
（1）自行式连续采煤机及配套设备的成熟和应用，使得双巷交替快速掘进成为可能；
（2）双巷交替掘进，为超前预抽放瓦斯提供了时间和空间，便于布置钻场和安排抽放时间。
（3）通过联络巷可以使在掘巷道形成全风压通风系统，缩短独头通风的距离，减轻局部通风的压力。
近年来，潞安矿业（集团）公司与中国矿业大学、太原煤科院、煤科总院等科研院所密切合作，在连续采煤机的开发应用方面进行了积极的探索，研制的新型连续采煤机及配套设备，已在五阳矿75-3连采工作面得到成功应用。
目前，针对常村矿、屯留矿及五阳矿高瓦斯区瓦斯含量大，长距离单巷掘进困难的问题，正在研究和试验连续采煤机双巷掘进技术。
此项技术充分利用连续采煤机生产能力大、推进速度快的特点，实现在双巷中交替掘进，在提高掘进速度和效率的同时，利用空闲时间对煤体瓦斯进行预抽放，从而有效降低煤体瓦斯含量，实现安全快速掘进，为综放开采实现高效生产创造有利条件。
4.2水力割缝抽放瓦斯成套技术
理论和实践都已经证明，在开采前先对煤层瓦斯进行预抽放，大幅度降低煤层瓦斯的含量，是控制采掘空间瓦斯浓度，减少瓦斯积聚的治本性措施。
但由于我国普遍属于低渗透性煤层，渗透率一般只有（0.1～0.001）×10-3μm2，致使瓦斯预抽放实施困难，效果不佳。
几十年来，世界各国针对低渗透煤层瓦斯抽放研究实施过许多技术方案，但效果均不明显。
因此，多数矿井目前只能被迫采用煤层密集钻孔抽放与采空区抽放、裂隙带抽放相结合的综合方法来抽放瓦斯，投入大，效率低，严重影响了采掘作业的正常进行。
针对低渗透煤层预抽瓦斯极端困难这一事实，潞安矿业（集团）公司与太原理工大学密切合作，根据“地应力场是影响煤层渗透性的关键因素”这一客观规律，从1999年来，先后投资近千万元，在水力钻孔和割缝成套装备与技术研发方面进行了不懈的研究和探索。
该技术的基本方法，是通过专用装备，采用水力钻孔与割缝技术，在煤体中施工本煤层长钻孔（100m左右）并切割出宽度1.5～2.0m、高度40～50mm的缝隙，从而达到使煤层产生松动和卸压，提高煤层渗透性之目的，然后利用钻孔实施煤层瓦斯抽放。
该技术项目经过6年多时间的艰苦探索，已经取得了一定的阶段性成果。
2004年10月，在潞安矿区五阳矿7601综放工作面进行了长达5个月时间的水力割缝技术工业性试验，取得了较好的效果。
试验地点位于7601工作面运巷距76皮带巷300m处的50m范围内。
钻孔设计深度为100m，实际深度50m左右；钻孔间距3m；钻孔高度距煤层底板1米左右。
钻孔布置如图4-1所示。
图4-1钻孔布置方案
从实际情况来看，水力钻孔与割缝的过程比较顺利，割缝过程中拌有多次煤与瓦斯强烈喷发，割缝排放瓦斯效果明显。
割缝完成后，将钻孔并入抽放系统，安装瓦斯流量表，逐日进行观测并测试瓦斯抽放浓度，结果见表4-1所示。
表4-14＃钻孔（深度50m）瓦斯抽放量随时间变化情况[换行]日期与时间04.11.11
15:
00
04.11.15
11:
00
04.11.21
10:
00
04.11.26
10:
00
04.11.30
11:
40
04.12.05
11:
00
抽放浓度（％）
36.9
35.0
25.5
23.0
19.5
25.6
百米钻孔抽放纯瓦斯速度（m3/h）
6.125
6.19
4.37
4.92
4.87
4.57
累计抽出纯瓦斯量（m3）
73.5
370.9
685.9
981.5
1215.6
1490.33[换行]试验区域的煤层瓦斯含量为4m3/t煤。
在试验水力钻孔与割缝的50m范围内，煤层瓦斯总含量4680m3。
割缝后在一个月内，累计抽出高浓度瓦斯1884m3，占总含量的40.25％。
通过工业性试验证明：
水力割缝是解决低渗透煤层瓦斯抽放的一条十分可行的技术途径。
实测数据表明，较一般的钻孔抽放而言，水力割缝后抽放速度可提高5～10倍，具有极大的开发前景。
待此项技术进一步完善并推广应用，将彻底解决困绕煤矿多年的低渗透煤层瓦斯难于抽放的问题，对进一步提高综放工作面的产量和效率起到极大的推动作用。
5结语
5.1瓦斯问题是制约综放工作面产量和效率进一步提高的主要因素，只有解决了瓦斯问题，才能实现高产高效目标。
5.2对于高瓦斯综放工作面，因受通风能力的限制，依靠单一的通风方式来排放瓦斯，能力十分有限。
采前预抽放煤层瓦斯，降低煤层瓦斯含量，是进一步提高综放面产量和效率的唯一出路。
5.3实践证明，对于低渗透性单一厚煤层综放开采，单一的本煤层钻孔抽放瓦斯效果不佳。
需因地制宜，采用多种抽放方式相结合。
5.4从潞安矿区的试验情况来看，水力割缝技术是当前提高低渗透煤层瓦斯抽放率的一种极有前景的方法。
作者简介：
张明安，（1947——）男，山西平顺人，成绩优异的高级工程师，现任潞安矿业（集团）公司副总经理兼总工程师。
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