潞安高产高效综放工作面瓦斯治理技术.docx

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1、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

2、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35度，局部可达10度以上，埋藏深度200600 米，平均厚度6.45m，硬度f = 12。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

3、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 1623，瓦斯吸附常数（极限吸附瓦 斯量）高达 26.209834.389m3/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 1.4720.3（9.01）0.00

4、12 0.00210.06050.12090.28620.606883.77960.80五 阳 井 田 6.15 7.950.0110 0.27400.1790 17.74250.02180.162678.3649984.8911.2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

5、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/

6、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

7、，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1618m3/min左右，最高曾达到21.04m3/min，大大 超出了预计的

8、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

9、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（厶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

10、破坏类型为皿、W、V类，煤层瓦斯压力 >0.74MPa P> 10 f <0。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0.50.72MPa, 煤的瓦斯放散初速度指标 P为1623,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,

11、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

12、。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

13、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

14、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 丫型（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，

15、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 510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

16、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#非水系统的放水巷内，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

17、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1 0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

18、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，

19、 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

20、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

21、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） x 1C&U m2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

22、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1.52.0m、高度4050mm 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50

23、m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 04.11.1115:0004.11.1511:0004.11.2110:0004.11.2610:0004.11.3011:4004.12.0511:00抽放浓度（）36.935.025.523.019

24、.525.6 百米钻孔抽放纯瓦斯速度（ m3/h ）6.1256.194.374.924.874.57累计抽出纯瓦斯量（ m3）73.5370.9685.9981.51215.61490.33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510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

25、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， （ 1 947）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。