淮南矿区的瓦斯治理战略

摘　要　根据技术研究和工程实践，分析了顶板抽放瓦斯技术、保护层开采综合治理瓦斯技术 、突出煤层边抽边掘技术、穿层钻孔预抽瓦斯技术等一套适合淮南矿区的瓦斯治理技术。在 总结瓦斯治理成功经验的基础上，介绍了淮南矿区“可保尽保，应抽尽抽”的瓦斯治理战略 及其实践效果，探讨了矿区瓦斯治理的主要困难和解决办法。

　　关键词　瓦斯治理　瓦斯抽放　淮南矿区

　　1　概述

　　淮南矿区走向长100km，倾斜宽20～30km，面积近3000km2 。矿区已探明煤炭储量-10 00m深 度以浅153亿t，-1200m深度以浅300亿t。现有9 座生产矿井，均为煤与瓦斯突出矿井。矿井 生产能力2740万t，开采深度-720m，开拓深度-820m。矿区高瓦斯煤层具有松软低透气 性的 特点，瓦斯含量一般为10～22m3/t，瓦斯压力高达5.7MPa，瓦斯压力梯度2.42×10-2 MPa/m， 煤层透气性系数为0.02～0.08m2／(MPa2·d)。矿区矿井绝对瓦斯涌出量目前达到720m 3/min， 相对瓦斯涌出量为20m3/t。开采矿井煤层均具有自燃发火倾向，煤层的自燃发火期一般为 3～6个月， C13煤层最短自燃发火期仅为14天。煤尘普遍具有爆炸危险性，其爆炸指数为32 ％～45％。

　　2　矿区瓦斯治理主导技术的建立

1998年以来，淮南矿区 逐步研究应用了掘进面“先抽后掘、边抽边掘”方法、采煤面顶板走向钻孔和高抽 巷抽放方法、顺层长钻孔抽放、穿层钻孔抽放、采空区埋管抽放、开采保护层抽放卸压瓦斯 等综合抽放技术。

　　2.1　开采煤层瓦斯抽放技术

　　2.1.1　开采煤层顶板抽放技术

　　顶板抽放方法就是从上风巷沿走向在煤层顶板往采空区上方掘进巷道或钻孔，抽放采空区顶板裂隙或冒落空间内积存的高浓度瓦斯。通过巷道或钻孔抽放，能够切断上邻近层瓦斯涌向工作面的通道，同时，对采空区下部的瓦斯起到拉动作用，减少采空区瓦斯向工作面的涌入量。其原理是在采空区流场上部增加汇点，使大量瓦斯通过汇点流出。顶板抽放要求瓦斯浓度高，并要满足一定的抽放流量，即抽放口附近的裂隙要有良好的瓦斯通道。因此，抽放位置不能太高，高处虽然瓦斯浓度高， 但由于裂隙不够发育，裂隙之间的连通性不好，很难抽到大量瓦斯。但位置也不能过低， 在采空区低处瓦斯浓度较低。

从1998年开始，先后在潘一矿、潘三矿等矿井进行了顶板钻孔抽放瓦斯试验，在李一矿、新 庄孜矿、谢一矿、谢二矿进行了顶板巷道抽放瓦斯试验。顶板走向钻孔抽放瓦斯纯量19～20 m3 /min，抽放率达45%以上。根 据工业性试验的现场测算结果，获得了顶板钻孔抽放动力、钻孔数量和抽放量间的最佳匹配 关系，即每个钻场布置8个钻孔，钻场间距100m，钻孔长度120m，抽放负压16～20kPa。抽放 巷道的层位一般控制在距煤层顶板10～20m、距上风巷水平距离20m的裂隙带下部。目前，顶 板抽放瓦斯技术已日趋成熟，并在全矿区普遍应用。

　　2.1.2　穿层钻孔抽放技术

　　采用穿层钻孔预抽煤层瓦斯需要煤层或煤层群具备底板巷，在底板巷内施工钻场，由钻场向 煤层或煤层群打穿层钻孔，每个钻孔都穿透整个煤层或煤层群，孔径91mm，钻孔间距30m ，预抽时间一般为1～3a。淮南矿区使用的穿层孔总长度超过１万m。谢二矿4232C13巷道掘 进面在经过穿层预抽区域时，掘进月进尺为35～45m，而在未预抽区域的月进尺只有20m，并且经常发生喷孔、夹钻等情况，说明穿层预抽起到了一定的作用。2.1.3　顺层钻孔抽放技术煤壁瓦斯治理的主要手段是采用顺层钻孔抽放本煤层瓦斯， 在采煤工作面上、下风巷 沿煤层打顺层钻孔，间距8～10m，孔深30～35m，部分块段孔深达50m，孔径73mm。当同 时抽放50～60个钻孔时，抽放量为0.3～0.4m3/min。这对降低煤壁瓦斯涌出量及防止煤与 瓦斯突出起到了一定的作用。

　　2.1.4　边抽边掘技术

　　针对突出煤层的松软低透性特点，研究使用并推广了边抽边掘方法。具体是迎头施 工10～20个钻孔，两帮分别施工3～6个孔，迎头钻孔保持5m以上的超前距，帮孔保持5m以上 压茬距。通过抽放瓦斯， 提高迎头煤体的强度，降低煤体瓦斯含量，从而减少放炮落煤时 的瓦斯涌出量。根据测定，迎头钻孔16h抽出的瓦斯量占有效时间内抽放量的80%。因此 规定迎头孔抽放时间为16h，帮孔在掘进过程中保持不间断抽放。

　　2.2　开采保护层瓦斯治理技术

　　2.2.1　煤层群多重开采上保护层防突技术

　　淮南矿区在煤层群开采时，首先以非突出煤层B8作为首采保护层，然后依次开采非突出 的 B7a、B7b 煤层，最后开采受到上保护层采动卸压保护的B6、B4突出危险煤层。采用此 种开采技术，对矿井资源回收、瓦斯治理和突出防治具有重大意义。

　　考察结果证明：B8煤层回采工作面相对于B6煤层掘进工作面的合理超前距为不小于40m ，保护效果十分显著；B8煤层开采后，B6煤层倾斜下方的卸压角分别为78°、77°、77°； B8 、B7a、B7b煤层开采后B6煤层倾斜上方的卸压角为77°，B8煤层开采后，B6煤层走向卸 压角为56.0°；B7a煤层开采后，B6煤层走向卸压角为60.5°。

　　多参数综合分析表明：B6煤层回采工作面相对于B4煤层掘进工作面的合理超前距为 不小于100m，即在B6煤层工作面100m以后，位于保护范围内的B4煤层突出危险性已经消除， 保护效果十分显著。

　　2.2.2　远距离缓倾斜下保护层开采瓦斯综合治理技术

对于不具备煤层群保护层条件的突出煤层开采，研究了远距离下保护层开采瓦斯治 理技术。淮河以北新区13-1突出煤层与下方的11-2非突出煤层的间距77m，11-2煤层倾角平 均为7°，煤层厚度平均1.8m。被保护层13-1煤层倾角平均为7°，煤层平均厚度4.2m。底板 专用瓦斯抽放岩巷布置在距13-1煤层底板15～28m的砂岩中，倾斜方向为13-1煤层工作面中 部偏向机巷20m处。钻场间距为10m，每个钻场扇形布置抽放孔15个，钻孔打至距13-1煤层4 m、至13-2煤层顶板为止。其他钻场沿专用抽放巷每隔30m布置一个钻场 ， 每个钻场5个钻孔。抽放孔见煤点间距在走向和倾斜方向均为30m，孔径91mm。另外掘进 专用考察巷和施工考察孔，考察保护范围和保护效果。

　　11-2煤层开采后，采用深部基点法测得C13-1煤层变形量最大值为68mm，变形 为2 0.74‰；13-1煤层卸压后透气性系数增大597倍；13-1煤层单孔瓦斯流量增大160倍；瓦斯压 力由4.1MPa基本降为零。

　　被保护层13-1的瓦斯抽放量为16～32m3/min，平均22m3/min，抽放瓦斯浓度为61%～1 00%，平均74%，单孔最大抽放量为3.60m3/min，煤层瓦斯抽放率为86.3%。研究结果表明 ， 11-2煤层回采后，被保护层13-1消除了突出危险，保护层采面超前被保护层掘进面的超前距 为层间距的3倍，即不小于210m。

　　被保护的13-1煤层在掘进过程中均未发生煤与瓦斯动力现象和突出事故，确保了安全生产。 掘进单进由月进尺60m左右，提高到200m。由于消除了突出危险性，允许采用综采放顶煤开 采，被保护层13-1煤层工作面年单产大幅度提高，一般情况可提高2～3倍。

　　3　“可保尽保，应抽尽抽”的瓦斯治理战略

　　3.1　战略的提出

　　经过5年的研究和探索，淮南矿区基本建立了一套适应矿区地质条件和瓦斯条件的瓦斯治理 方法。但随着开采深度的增加，地应力增大，瓦斯涌出量显著增加，煤层的突出危险性剧增 ，一些非突出煤层出现了突出指标超限，矿区防治煤与瓦斯突出和瓦斯治理面临着新的更大 的挑战。预计到2007年，矿区瓦斯涌出量将达到1000m3/min，现有的瓦斯治理方法和手段 已不 能适应矿区未来发展的需求。对此，淮南矿区在总结过去成功经验的基础上，于2002年提出 了“可保尽保 ，应抽尽抽”瓦斯治理战略。瓦斯治理的技术原则是以区域治理为主、区域治理与局部治理 相结合，以非突出煤层保护突出煤层、弱突出煤层保护强突出煤层，强化抽放。

　　3.2　保护层开采技术的全面实施

　　淮南矿区可以作为保护层开采的煤层都是薄煤层，地质构造复杂，特别是C15、B10煤层厚度 小于1.5m，局部只有1m，煤质差，赋存不稳定，并且准备巷道工程量大。为此，矿区制定了 保护层开采政策，按回采面积予以补贴，鼓励保护层开采。坚持凡具备保护层开采条件的一 律强制性开采保护层，否则予以处罚。为延缓主采煤层的延深速度，为瓦斯治理提供时间和 空间上的保证，矿区加快了新水平开拓延深力度和新采区的准备力度，积极调整开采程序， 优先开采保护层。同时，对主采煤层上覆、下伏薄煤层的赋存情况进行勘探调查，积极寻找 可以作为保护层开采的薄煤层及其块段，并研究解决薄煤层开采技术和与之配套的瓦斯治理 技术。2003年淮南矿区正在准备或回采的保护层采面有18个，被保护层工作面开采比例达到 30%，预计到2007年被保护层工作面开采的比例将达到84%，最终全部实现保护层开采。

　　3.3　瓦斯抽放技术的发展

　　对于没有保护层可采的块段采取强化抽放措施。在全面运用成功治理措施的同时，积极研究 探索新技术、新工艺。目前，矿区所有突出危险掘进工作面，瓦斯绝对涌出量大于3m3/mi n、炮后瓦斯经常超限、有瓦斯异常涌出现象或者预测突出指标超限的掘进工作面，以及石 门揭穿突出煤层工作面，都采取了巷帮钻场深孔连续抽放措施，并确保掘进迎头巷道断面的 每平方米钻孔覆盖量不得少于2个。对于瓦斯绝对涌出量大于5m3/min，或者用通风方法解 决 瓦斯问题不合理的采煤工作面，如掩护支架采面工作面，都采用以高抽巷或顶板走向钻孔为 主、以穿层和顺层孔等为辅的综合抽放治理瓦斯措施。采煤工作面的瓦斯抽放率达到了治理 目标：绝对瓦斯涌出量大于30 m3/min的工作面，瓦斯抽放率不低于60%，绝对瓦斯涌出量 为20～3 0 m3/min的工作面，瓦斯抽放率不低于50%，绝对瓦斯涌出量小于20 m3/min的工作面， 瓦斯抽放率不低于40%。

　　 研究应用了突出煤层消除突出危险综合治理技术。通过研究试验风力排渣技术和能够有效提 高排 渣能力的钻机具等设备，并应用水力扩孔技术，顺层钻孔的施工成孔深度由原来的30～50m 提高到100m以上，满足了工作面回采区域预抽瓦斯消除突出危险的要求。运用数值分析方法研究确定了不同地质条件下顺层钻孔的合理布孔参数，为区域性消除突出危险提供了良好的技术手段。2002年以来，淮南矿区已经有4个突出煤层块段应用顺层密集钻孔强化抽放技术消除了突出危险，实现了放顶煤回采。在做好井下瓦斯抽放的同时，积极研究地面钻井预抽采动影响区域煤层瓦斯技术。11-2煤层开采时，采用地面钻井抽放上覆的13-1煤层松动区域的瓦斯。地面钻井单井抽放瓦斯量最高达22190m3/d，在95.1d的试验期内共抽出瓦斯122520 7m3 ，单井日平均抽出瓦斯14943m3。通过在下保护层开采中使用地面钻井技术，单井抽放半 径达211m，地 面钻井在正常抽放条件下，抽放瓦斯浓度在95%左右。现场考察表明：随着下保护层回采工 作面的推进，地面钻井可有效抽放被保护层采动影响区域的瓦斯。下保护层的回采工作面 收作后，地面钻井可继续抽放保护层的卸压瓦斯。当被保护层回采结束后，地面钻井可作为 采空区抽放。

　　3.4　瓦斯治理效果

　　通过实施“可保尽保，应抽尽抽”瓦斯治理战略，淮南矿区瓦斯抽放量由1995年的500.5万m 3，增加到2002年的1.1亿m3 ，年平均抽放率由2.33%增加到31%，2003年矿井瓦斯抽放量将达到1.3亿m3，逐步实现了 由风排为主向抽排为主的战略转移。瓦斯突出发生的频率由1998年以前的3.69次降低到2002 年的0.7 5次。瓦斯超限次数由1998年的1333次下降到2002年的224次，杜绝了重大瓦斯事 故，保持了相对安全生产的局面。

　　4　进一步的研究课题

　　防突工作特别是掘进防突是淮南矿区“一通三防”工作的重点和难点。目前矿区研究应用了 矿井瓦斯地质图和掘进面防突预测图，对掘进前方可能遇到的地质构造提前进行预警，增加 防突措施的针对性。同时，积极研究有效探测小地质构造的手段，深入探索地质构造与突出 的相关性。结合“十五”国家科技攻关项目，应用电磁辐射、AE声发射等非接触式突出预测 技术，确定其突出敏感指标，提高突出危险性预测水平；利用地质动力区划进行煤层突出危 险性区域预测，研究构造性质、尺度与煤层突出危险性之间的关系；研究构造煤与煤层突出 危险性之间的关系；研究瓦斯涌出动态规律与突出危险性之间的关系；通过科技攻关，逐步 建立“预测、预报、预警”防突综合预报体系。