理论与实践:平顶山矿区高突煤层立体抽放安全高效回采技术的探索与实施

作者；张毅

    平顶山矿区是我国重要的煤炭生产基地，也是全国瓦斯灾害最为严重的矿区之一。近年来随着煤矿开采强度、深度的增加，高突煤层瓦斯治理难度越来越大，突出表现在打钻困难、成孔率低、瓦斯治理周期长等方面。另外，由于受钻孔孑L深的限制，消突的煤层也不具备布置大采长综采工作面的条件，不能充分发挥综采机械化的优势，导致开采成本高，经济效益低。为保障安全回采，实现高产高效，中国平煤神马集团以首山一矿为试点，积极实施高低位抽放巷瓦斯区域治理，探索高突煤层大采长一面多巷立体抽采瓦斯技术。

2  大采长一面多巷立体抽放布局探索

2.1  大采长一面五巷

    己15-12050综采工作面位于己二采区东翼中部，为己二东翼采区第三个工作面。煤层埋深638. 8～728.9 m，煤层平均厚度4.0 m，煤层倾角8°～21°，设计可采走向长度1602 m，煤层最大瓦斯含量10.04m3／t，最大瓦斯压力2.9 MPa。

    考虑到两个小采长工作面合成一个大采长工作面在一定程度上减少了采区的采面布置数量，间接节约了开掘成本，故将己15 - 12050综采面采长设计为210 m，但如果进行瓦斯抽采时采面中部存在60 m的瓦斯抽采空白带。根据当前实际打钻经验，成孔深度最深能达到70 m，风、机两巷双向打钻需交叉不低于10 m，为提高区域治理效果，即在传统的一面四巷的基础上，增加一条中抽巷。通过在中抽巷执行穿层钻孔，给采面中部瓦斯抽采空白带消突，为大采长综采面布置创造条件。

2.2  大采长一面六巷

    己15-17-11061综采工作面位于己一采区西翼上部，为己一采区首采工作面。煤层埋深687. 8～779.1 m，煤层平均厚度4.8 m，煤层倾角3°～18°，设计可采走向长度1020 m，工作面采长195 m，煤层最大瓦斯含量19.5 m3/t，最大瓦斯压力3.6 MPa。鉴于己15-12050采面打钻难度大、成孔率低、治理周期长、成本高等问题，在一面五巷的基础上在己15-17-11061工作面中部布置了一条由中抽巷掩护掘进的中煤巷，利用中煤巷向两帮打本煤层钻孔，并联网抽放，形成一面六巷的格局。

    与己15- 12050综采工作面相比，由中抽巷执行穿层钻孔进行采面中部空白带消突改为本煤层顺层钻孔双向治理，钻孔长度缩减为60 m/孔，既缩短了钻孔成孔时间又提高了成孔率，从而为高突煤层布置大采长一面多巷工作面奠定了基础。

2.3  大采长一面七巷

    己15-1-12061综采工作面位于己二采区西翼中部，为己二西翼采区第三个工作面，巷道布置如图1所示。煤层埋深687. 8～828.9 m，煤层平均厚度4.8 m，煤层坡度3°～21°，设计可采走向长度1297 m，采长为235 m，煤层最大瓦斯含量12. 04 m3/t，最大瓦斯压力2.4 MPa。

    与己15-17-11061综采工作面相比，制约大采长高突综采工作面安全高效回采的影响因素是回采期间上隅角及回风流瓦斯高值问题。根据现场实测和理论分析，发现采空区瓦斯是造成瓦斯高值的主要原因。为解决这一突出问题，保障安全高效回采，己15-17 - 12061综采工作面相比己15-17- 11061综采工作面增加一条高抽巷，高抽巷封闭抽采采空区瓦斯，最终形成一面七巷的瓦斯治理格局，见图1。

3  大采长一面多巷立体抽放技术路径

3.1  低抽巷瓦斯治理

    沿距煤层底板10 m、厚度200～300 mm的煤线标志层布置低抽巷，施工穿层钻孔并联网预抽煤层瓦斯，钻孔组间距为4.8 m，每组施工11个钻孔，控制到巷道两帮15 m范围。针对己组煤层瓦斯压力大、含量高、自喷能力强的特点．在实施穿层钻孔的基础上，采用了水力冲孔技术措施，利用钻头切割和压力水冲刷煤体，激发钻孔喷孔，排出煤屑和瓦斯，释放突出潜能，消除工作面煤层的突出危险性。

3.2  煤巷瓦斯治理

    在工作面中间增加布置一条煤巷，在3条煤巷中分别向回采区域煤层施工顺层钻孔并联网预抽煤层瓦斯，钻孔间距2.4 m，深度不小于70 m，保证相向施工钻孔交叉不小于10 m，控制整个回采区域。

3.3  高抽巷瓦斯治理

    在一面七巷布置格局中，增加一条高抽巷，布置在与风巷平距10～20 m、垂距10～15 m的煤层顶板岩层中，用以抽采受采动影响而从煤层内涌出的瓦斯和采空区内的瓦斯，以此减少工作面瓦斯涌出量，降低回风流中瓦斯浓度超限的概率，提高煤层瓦斯抽采率，通过以抽采代吹风，实现高产高效。

3.4  瓦斯治理效果对比分析

    传统方式在风巷和机巷向回采区域施工顺层钻孔，钻孔深度根据采长确定，以己15 -12050工作面为例，钻孔深度要达到100 m以上。但在打钻过程中发现，钻孔深度超过70 m后，易造成钻杆角度漂移，使得部分钻杆进入煤层顶底板中，致使回采区域中间位置出现大量瓦斯治理空白带；且夹钻、顶钻现象严重，因喷孔造成瓦斯高值或超限次数较频繁，钻孔施工困难、进度缓慢，成孔效率低，增长了瓦斯治理周期。而采用一面多巷巷道布置方式，在风巷和机巷向回采区域施工顺层钻孔的基础上，再由中煤巷上、下帮分别向回采区域施工顺层钻孔，钻孔深度由100 m以上缩短至70 m左右，有效消除了工作面存在治理空白带的问题，成孔周期由24 h缩短至8h，出现空白带钻孔比例由30%缩小到2%，同时钻孔施工受相关因素影响减小，成孔效率提高，瓦斯治理周期缩短。传统方式与一面多巷布置方式钻孔施工功效对比如表1所示。

    另外，根据资料显示，己15-17-11061工作面回采期间，回采效率较以前有较大提高，但上隅角及机尾瓦斯极易出现积聚，回风流中瓦斯浓度居高不下，平均瓦斯浓度在0.5%～0.6%，频繁出现瓦斯高值或超限，制约工作面安全高效生产；而己15-17-12061工作面回采期间，高抽巷抽采上隅角瓦斯浓度稳定在25%左右，混合流量达到100 m3/min以上，从而使上隅角、机尾及回风流很少出现瓦斯高值或超限，且瓦斯浓度稳定在0. 3%左右。工作面回采期间回风流中瓦斯浓度居高不下的问题得到有效解决，为工作面实现高产高效打下坚实的基础，同时，高浓度的瓦斯供给瓦斯发电站，日均发电2万kWh，既保证了安全生产，又增加了煤矿效益。两工作面风巷平均瓦斯浓度如图2所示。

4大采长一面多巷立体抽放施工组织

4.1  超前布置低抽巷

    开掘低抽巷是工作面瓦斯治理工作开始的标志，低抽巷的超前布置是工作面瓦斯高效治理的基础。为提高工效，首山一矿引进大功率岩石掘进机，低抽巷敷设专用运矸胶带建立专用排矸系统，实现煤矸分运，从井口至各个工作面形成岩石掘进机一胶带一工作面矸石仓一胶带一采区矸石仓一矿车一副井一地面专用排矸系统，掘进效率大幅度提高，低抽巷月单进水平稳定在200 m以上，2013年4月，己15-17-12061机抽巷创出月单进302 m的新高，为低位巷施工穿层钻孔提供了充足的空间和时间，保证穿层钻孔施工进度在300 m/月以上，钻孔联网抽采时间不小于6个月，瓦斯抽采率明显提高，为进一步高效治理煤巷条带瓦斯提供保障。

4.2煤巷快速掘进

    低抽巷的超前布置保证了穿层钻孔的联网抽采时间，提高了穿层钻孔的抽采效率，煤巷条带瓦斯抽采率达到45%以上，残余瓦斯含量降到6 m3/t以下，残余瓦斯压力降至0.6 MPa以下，治理效果突出，为煤巷的快速掘进提供了安全保障，己15-17-12061采面实现了突出煤巷掘进工作面平均月单进120 m以上，最高月单进150.6 m。与己15 -12050工作面因煤巷掘进速度慢造成接替紧张的局面形成鲜明的对比。两个工作面煤巷工作面进尺情况如表2所示。

5对比分析

5.1  成本对比

    己15 -12050综采工作面采掘布置的优点是巷道工程与瓦斯治理工程量小，工作面形成工期短；缺点是外围工程量大，工作面储量小，回采时间短，致使工作面频繁倒面，接替频繁。

    己15-17 - 11061综采工作面采掘布置的优点是工作面储量多，回采时间较长，接替稳定；缺点是巷道工程与瓦斯治理工程量较大，工作面形成工期长，上隅角瓦斯治理困难，制约安全高效生产。

    己15-17 -12061综采工作面采掘布置的优点是外围工程量小，工作面储量大，回采时间长，接替宽松，瓦斯制约因素少，回采效率高，可实现工作面安全高效生产；缺点是巷道工程与瓦斯治理工程量较大，工作面形成工期较长，前期投入较大。

    3种采掘布置方式产生的经济效益对比情况如表3所示。

5.2收益对比

    以己15 -12050工作面为参照对象，与己15-17-11061工作面和己15-17 -12061工作面2015年第二季度采效对比情况如表4所示。与传统采掘布置方式的己15-12050工作面相比，一面六巷和一面七巷工作面月平均每天回采量分别增加1975. 68 t、4623. 36 t，月产值分别增加2371万元、5548万元；回采期间一面七巷发生瓦斯高值(大于等于0.8%)次数减少88%，效果显著。

    根据表4可知，采用一面七巷治理路线虽然前期投入较大，工期较长，但后期产值和利润最大，瓦斯治理吨煤成本最低。综合考虑，一面七巷产生的经济效益最大，将是矿井健康稳定发展趋势。

6结论

    (1) 一面多巷采掘布置方式可以大幅缩短钻孔 施工长度，有效消除了瓦斯抽采空白带，减小单孔成孔周期，钻孔施工功效显著提高，瓦斯治理周期明显缩短，对缓解首山一矿接替紧张局面具有切实意义，对平顶山矿区治理瓦斯灾害，建设安全高效矿井，推动当前煤矿实现脱困发展具有重要借鉴意义。

    (2)增加一条高抽巷的一面 七巷采掘布置方式，通过以抽采代吹风，有效解决了工作面回采期间回风流中瓦斯浓度居高不下的问题，实现了单一低透煤层工作面的安全高效回采，其经验技术对相似开采条件下的工作面具有很高的参考价值。

(3) 一面多巷采掘布置方式，既有效降低了吨煤瓦斯治理成本，又充分发挥大采长综采机械化的优势，大幅增加了经济效益。

7摘  要  针对平顶山矿区煤层开采深度大、瓦斯含量高、突出危险性大、煤层透气性低的特点，在首山一矿探索出了大采长一面多巷立体抽放瓦斯治理格局。通过抽放巷及本煤层快速掘进，为瓦斯治理创造了时间和空间，同时利用穿层钻孔和顺层钻孔立体抽放，实现了安全高效回采。