1、1项目来源我国所开采的高瓦斯和突出矿井 95%以上的煤层属于低透气性的煤层，透气性系数较低，瓦斯抽采难度非常大，抽采率较低，采空区瓦斯涌出在矿井瓦斯来源中占有很大的比例，因为在煤层开采时，除开采煤层外，邻近的煤层也会有大量的瓦斯向采空区涌出，不仅工作面在开采过程当中会有瓦斯涌出，而且工作面采完，进行密闭时还会有瓦斯涌出。随着我国煤层开采深度的增加，地应力不断增大，煤层渗透率随之减小，从而制约了煤层瓦斯的抽放率和抽放效果，并在很大程度上影响了矿井的正常接续。解决低渗透煤层的瓦斯抽放问题，已成为确保安全生产、提高矿井生产效率的关键环节。鉴于这种情况，假如只依靠通风的办法解决，不但增加了通风的负担，
2、而且费用较高。通过国内外的一些实践表明，对采空区和本煤层瓦斯进行抽采，是行之有效的。龙泉煤矿开采煤层平均厚度为 6.47 m，工作面最大绝对瓦斯涌出量为 19.35 m3/min。龙泉煤矿 4号煤层瓦斯解析量较大，透气性系数为 0.692 2 1.286 3 m2/(MPa d)，属于低透气性高瓦斯厚煤层。目前，随着矿井开采规模和开采深度的变化，矿井瓦斯含量在瓦斯梯度和压力梯度作用下逐步增高，4 号煤层瓦斯含量为 4.09 m3/t，煤层瓦斯含量梯度为 1.94 m3/t 100 m。随着矿井瓦斯含量的升高，矿井瓦斯治理任务在今后会更加艰巨，瓦斯治理工作已经是矿井能否安全生产的基础。针对矿井低
3、透气低透气性厚煤层高瓦斯回采工作面瓦斯综合治理技术研究韩思华1，刘树轮2（1.冀中能源邯郸矿业集团 太行矿业有限公司，河北 邯郸 056300；2.冀中能源邯郸矿业集团，河北 邯郸 056008）摘要：本文针对龙泉煤矿低透气性厚煤层高瓦斯抽采难度大等问题，在回采工作面采用瓦斯综合治理技术并进行研究。实践结果表明，该技术的实施使工作面易积聚的上隅角瓦斯浓度、回风流瓦斯浓度均保持在 0.3%以下，瓦斯抽采率达到 60%以上，成功解决了低透气性厚煤层高瓦斯回采工作面瓦斯超限的问题。关键词：低透气性；厚煤层；高瓦斯；瓦斯综合治理中图分类号：TD712文献标识码：B文章编号：2095-5979（2023
4、）05-0108-04Research on comprehensive gas control technology in highgas mining face of low permeability thick coal seamHan Sihua1,Liu Shulun2(1.Taihang Mining Co.,Ltd.,Jizhong Energy Handan Mining Groupx,Handan 056300,China;2.Jizhong Energy HandanMining Group,Handan 056008,China)Abstract：This paper s
5、tudies the comprehensive gas control technology used in the high gas mining face of lowpermeability thick coal seam in Longquan Coal Mine.The practical results show that through implementation of thistechnology，the gas concentration of the upper corner and the return air flow in the working face is
6、kept below 0.3%,andthe gas extraction rate is above 60%,which successfullysolves the problem ofgas overrun in the high gas miningface oflowpermeabilitythick coal seam.Key words：lowpermeability;thick coal seam;high gas;comprehensive gas control责任编辑：高小青DOI：10.19286/ki.cci.2023.05.026作者简介：韩思华（1985），男，河
7、北邯郸人，工程师。引用格式：韩思华，刘树轮.低透气性厚煤层高瓦斯回采工作面瓦斯综合治理技术研究J.煤炭与化工，2023，46（5）：108-111.煤 矿 安 全 环 保 与 煤 炭 加 工Coal and Chemical Industry煤 炭 与 化 工Coal and Chemical Industry第 46 卷 第 5 期2023 年 5 月Vol.46 No.5May 20231082023 年第 5 期性、厚煤层、高瓦斯困难条件，结合矿井回采工作面瓦斯主要来源及采用单 U 通风方式采空区瓦斯治理难度大等问题，矿井“一通三防”技术人员制定了本煤层预抽、中高位裂隙带抽采、采空区抽采
8、等瓦斯综合治理技术方法研究试验，研究分析顶底板岩层移动规律与影响瓦斯运移规律，摸索出切实有效瓦斯抽采方法及关键技术，实现本煤层瓦斯的拦截、预抽，解决工作面瓦斯治理难题。2主要研究内容根据工作面瓦斯来源，从本煤层、邻近层卸压、采空区抽采解决工作面瓦斯，同时就龙泉矿井煤层透气性差的问题、中高位钻孔层位的确定、本煤层钻孔封孔等相关问题进行分析，确定工作面瓦斯治理技术。2.1本煤层预抽钻孔的研究2.1.1本煤层钻孔施工龙泉煤矿根据煤层内瓦斯含量，合理确定本煤层钻孔间距、长度及预抽时间，回采工作面采用两侧巷道垂直煤壁布置顺层钻孔，两侧钻孔搭接 15m，钻孔间距为 3 m，钻孔方位角为垂直于煤壁，钻孔开孔
9、位置为距离顶板 2.3 m。钻孔开孔采用姿态仪测量钻孔倾角和方位角，钻孔施工完成后采用轨迹仪器对钻孔进行测量轨迹，保证钻孔按照设计施工。本煤层钻孔示意如图 1 所示。2.1.2本煤层钻孔增透技术矿井 4 号煤层采用施工高压水力割缝（压裂）增透技术，在保障安全的前提下对已完成小直径钻孔的煤层段进行高压水力割缝扩大其直径，排出大量煤体，促进煤体层内卸压，形成大量裂隙；然后对割缝钻孔封孔后进行水力压裂，利用割缝裂隙和控制钻孔控制水力压裂的方向，割缝钻孔和控制钻孔之间煤体被压开形成贯穿裂隙并通过高压水携带出煤屑，钻孔控制范围内煤体卸压，有效的增加煤层透气性，预计钻孔间距从 3 m 增加至 10 m，割
10、缝（压裂）钻孔和控制钻孔均接入抽放系统，提高瓦斯抽采效果和降低预抽时间，预计钻孔抽采半径增加至 15 m左右，钻孔抽采时间为 180 d。2.1.3本煤层钻孔封孔工艺研究当前龙泉煤矿钻孔采用三堵二注封孔方式进行封孔，即采用囊袋封孔配套专用注浆材料进行封孔，封孔管采用承受 1 MPa 压力的63 mm 聚氯乙烯煤矿瓦斯抽采封孔管路。对钻孔水力割缝前需要对钻孔进行封孔，即采用封孔器（封孔器的耐压强度应在 30 MPa 或者在预估压裂压力的 1.5 倍以上，封孔长度 10 m 以上，凝固时间 4 h 以上）或水泥砂浆封孔。水泥砂浆封孔方法：水泥砂浆封孔长度应在 10 m 以上，封孔后需等待 3 d
11、以上，直至水泥砂浆完全凝固后才可以准备压裂试验。变相增加封孔段长度提高封孔质量。2.2千米定向钻机中高位拦截钻孔和裂隙带钻孔抽采技术研究2.2.1千米定向钻机中高位钻孔设计研究龙泉煤矿工作面设计为中位钻孔截流、高位钻孔抽采顶板裂隙带瓦斯，中位钻孔采用普通钻机施工，钻孔施工过程中钻杆会存在跑偏，使终孔位置不能达到预期位置。为合理优化设计，根据该区域煤层情况，距工作面切眼 500 m 钻场内施工150mm大孔径千米定向中高位钻孔，并根据 15 50 m不同层位布置分支钻孔，用于抽采工作面冒落带和顶板裂隙区域瓦斯，治理工作面采空区和上隅角瓦斯。千米定向钻机中高位钻孔示意如图 2 所示，千米定向钻机成
12、孔效果图如图 3 所示。（1）冒落带高度计算。煤层顶板（冒落带）由若干层性质各异的岩层图 1本煤层钻孔示意Fig.1 Drillingsketch ofthe coal seam回风顺槽胶带顺槽工作面切眼工作面推进方向图 2千米定向钻机中高位钻孔示意Fig.2 Kilometer directional drillingrigin high drillingschematic图 3千米定向钻机成孔效果图Fig.3 Kilometer directional drillinghole effect diagram胶带顺槽回风顺槽千米钻场高负压管路（323.9）高位大直径定向钻孔煤层采空区韩思华等
13、：低透气性厚煤层高瓦斯回采工作面瓦斯综合治理技术研究109煤炭与化工2023 年第 5 期第 46 卷和煤层组成，采空区形成后，顶板面积悬露到一定极限时，直接顶板岩层初次垮落（冒落），初次垮落时工作面煤壁（或放顶线）至开切眼的距离基本顶平均初次来压步距为 41.53 m。随着工作面向前推进，直接顶循环跨落形成冒落带。冒落带纵、横剖面一般呈拱形或正梯形，从煤壁处作冒落拱的切线称为冒落线，冒落线向采空区倾斜，其与煤层倾向线的夹角称为冒落角，过拱形最高点直线与煤层倾斜面平行的直线称为冒落高度线，冒落高度线与煤层顶板间的垂距即冒落带高度。岩层冒落角与岩石性质有关。一般情况岩石越硬，冒落角度越大，一般情
14、况下冒落角可取 4575。龙泉矿 4 号煤层的坚固性系数 f=1 2，冒落角取 5055。冒落带高度与采高和顶板岩石碎胀性能有关，一般是采高 34 m，岩石的碎胀系数越大，冒落带高度越低。4 号煤层顶板为灰白色中粒砂岩，石英为主，含长石及暗色矿物，分选磨园差，泥质胶结。底部为泥岩，含植物叶片化石。中粒砂岩抗压强度为 52.93 104.77 MPa；砂质泥岩类抗压强度一般为 24.82 70.54 MPa，根据采准巷道顶板分类标准，4 号煤层顶板属于不稳定至中等稳定性顶板。其冒落带最大高度按式（1）计算。冒落带内根据冒落岩石的密实程度和漏风状态，冒落带内岩块之间孔隙，连通性强，瓦斯容易积聚。（
15、2）裂隙带高度计算。从煤层顶板起至裂隙带上部的高度，即裂隙带高度，一般是采高的 5 8 倍，过裂隙带最高处，且与煤层顶板平行的直线称为裂隙带高度线。裂隙带内是沟通采空区冒落带和变形带的裂隙通道。为瓦斯富集和涌出的创造通道，所以裂隙带离层区的中下部是布置邻层瓦斯抽放钻孔，截断瓦斯向工作面涌出的最佳位置。（3）弯曲下沉带高度计算。弯曲带又称整体移动带或弯曲下沉带，是指裂缝带顶部到地表的岩层。根据前述分析，龙泉煤矿4 号煤层厚度取 6.47 m，煤层倾角取 5，冒落线倾角取 55，卸压角取 79，经计算冒落带高度为 6.7 11 m，裂隙带高度为 32.35 51.74 m。2.2.2千米定向钻机设
16、备功能技术结合钻孔施工特点，通过钻孔相关技术参数对钻 孔 进 行 设 计，根 据 钻 孔 设 计 要 求，ZDY-12000LD 型煤矿用履带式全液压定向钻机，适用于岩石坚固性系数 f10 的各种煤层和岩层。钻机具有独立行走，360 度转弯等特点，钻机对巷道或钻场的要求：高度大于 3 m，宽度大于 4.5 m，断面大于 12 m2。相关配套设备有孔底马达、矿用随钻测量装置、定向钻杆、扩孔钻杆等。2.3半封闭插管抽采技术研究2.3.1半封闭插管抽采上隅角瓦斯抽采原理半封闭插管抽采上隅角瓦斯方法的主要原理是在采煤工作面的回风侧，同时靠近回风巷上帮和采空区边缘的三角地带形成负压区域，使该区域内瓦斯形成紊流状态与空气充分混合，由抽放管路抽走。2.3.2半封闭插管抽采上隅角施工工艺在 4306 工作面上隅角与最后一个综采支架回风口和 4306 回风上隅角采空区处各安设 1 趟直径600 mm 的骨架风筒，与回风巷508 mm 低负压抽采管路相连接，抽采回风隅角内瓦斯。抽采形成了负压区，减少了采空区向回风隅角涌出瓦斯。工作面上隅角插管抽采混量保持在 125 m3/min。工作面回风隅角插管抽采的方
