保护层开采瓦斯综合治理与利用技术探索

【摘 要】保护层开采时应遵循的原则中最为突出的难题就是保护层开采后被保护层（ 一层或多层煤）瓦斯通过煤岩层裂隙涌入保护层，给保护层回采安全带来巨大的瓦斯防治压力；本篇介绍了任楼煤矿通过实施保护层瓦斯综合治理 、建立瓦斯抽采系统及利用瓦斯发电，实现矿井抽、掘、采平衡及瓦斯综合利用的技术经验。

【关键词】开采保护层；防突；瓦斯抽采；瓦斯发电

引言

任楼矿地质条件复杂，打钻时出现过喷孔等煤与瓦斯突出典型动力现象。矿井7煤层实测最大瓦斯压力达到0.97MPa（-683m），8煤层实测最大瓦斯压力达到1.75MPa（-697m）；最大相对瓦斯涌出量8.66m3/t；平均绝对瓦斯涌出量48.85m3/min。

1 保护层开采卸压原理及治理方案

保护层开采过程中，下被保护层透气性系数的时空演化规律为：初始值小幅下降大幅增加稳定后期下降，稳定后的透气性系数为原始煤层透气性系数的数百倍或上千倍，不同的煤层地质条件，透气性系数增加的倍数不同。

1.1 保护层开采试验区位置及范围

试验区位于矿井中下部，浅部以51煤层-600m为界，深部至51煤层-691m底板等高线；北以51煤层工广保护煤柱为界；南到F3断煤交线。走向长平均1700m，倾斜宽231～240m，平均235m±。

1.2 被保护层的抽采方案

保护层72煤和82煤上距51煤层62.64m，在51煤层开采过程中72和82煤层的瓦斯不能通过51煤层瓦斯抽排系统得到排放。必须充分利用51煤层开采在72煤层和82煤层中形成的岩层卸压和透气性成百上千倍增大的作用，在72煤层和82煤层瓦斯流动的活跃期内将卸压瓦斯有效地抽采出来，从根本上区域性地消除煤与瓦斯突出危险性。采用底板网格式上向施工穿层钻孔抽采72煤和82煤的卸压瓦斯。

（1）底板巷位置确定

底板瓦斯抽放巷一般布置在煤层底板岩性较好的岩层中，距82煤层底板20～30m，这样可以保证底板巷在掘进时安全，一方面防止72煤和82煤瓦斯涌入底板巷，另一方面在遇到小的断层时不会误揭煤层。本区段内的底板巷应与上区段底板巷连通形成负压通风系统，保证底板巷的通风安全。

（2）钻场、钻孔参数设计

在底板瓦斯抽采巷内每隔15m，垂直于底板巷布置一抽采钻场。每个钻场内钻孔呈扇形布置，充分卸压区内钻孔间距为15m，未充分卸压区内钻孔间距5～10m，钻孔间距以煤层中厚面为准，钻孔进入72煤层顶板0.5m。对于卸压范围内抽放钻孔的间距根据考察效果可适当调整。在两个钻场中间，在进风巷和回风巷处增加各2个钻孔，从两侧钻场施工。

（3）特殊块段卸压瓦斯抽采方案

对72、3煤和82煤未被保护的区域（如开切眼和收作线附近），采用底板巷上向网格式穿层密集钻孔结合顺层钻孔预抽煤层瓦斯，消除煤层突出危险性，将高瓦斯突出煤层转变为低瓦斯非突出煤层。

1.3 保护层开采瓦斯涌出分析

经计算得知，工作面只靠风排不能满足安全生产的需要，必须配合工作面瓦斯抽采。按照1500m3/min设计，回风瓦斯浓度按≤0.70%计算，表1计算了风排瓦斯量和所需抽放的瓦斯量。

1.4 回采工作面瓦斯综合治理

1.4.1 顶板走向钻孔抽放

（1）高位钻场抽放原理

高位钻孔主要是利用工作面回采动压形成的顶板裂隙通道来抽放工作面煤壁以及上隅角的瓦斯。采动应力场中形成的裂隙空间，便成为瓦斯流动通道，使得高位钻孔能抽出瓦斯，并且大大超过本煤层的瓦斯抽放量。

（2） 钻场设计

巷道自风巷底板30°起坡后进入顶板变平，然后施工4m平台。钻场规格为3.5m×2.6m（宽×高），深度10m，钻场间距为70m，钻孔长度为110m，钻孔压茬长度为30～40m。

1.4.2 采空区埋管抽放

（1）采空区埋管抽采上隅角瓦斯的原理

采空区漏风和上隅角的风流涡流状况造成了上隅角瓦斯积聚，改变上隅角处的风流状况，就可消除其瓦斯积聚的外在因素。利用风机运转时所产生的负压，通过一定直径的管路在采空区内一定位置形成了一个负压区域，从而改变上隅角附近的涡流状况及采空区瓦斯的流动方向，上隅角附近高浓度瓦斯通过管路引至安全地点释放。

（2）设计方案

沿回采工作面的回风巷的上帮敷设一条Ф200mm的瓦斯管，随着工作面的推进，瓦斯管道一端逐渐埋入采空区，瓦斯管路每隔一定距离设一个三通，并安设阀门，可以开闭。站管随工作面的推进每20m布置一个，当工作面回采，抽采器滞后20m时，关闭老塘内的抽采器连入新的抽采器，依次不断向前延接。抽采负压以管路监测抽采效果最好时为佳。但工作面周期来压后，站管被冒落的顶板岩石完全覆盖，高浓度瓦斯集聚在上方，埋管的抽采效果随之降低。

1.4.3 上隅角站管抽放

上隅角埋管抽采是通过在上隅角铺设一趟抽采管路抽放采空区瓦斯，减少采空区内瓦斯涌入工作面。由于该综采面7煤瓦斯含量高、工作面采高大、临近层间距近，采空区瓦斯涌出量较大。因此工作面回采时，在风巷φ200主管路上每隔10m留有一处三通，用于连接上隅角站管抽放，站管距顶板0.4m，其上布满花孔，随着工作面的推进，顶板的跨落，站管被埋入采空区，形成与工作面相对封闭的空间，并通过煤岩体裂隙对采空区内的高浓度瓦斯进行抽采。在工作面回采过程中，预计上隅角抽放浓度一直稳定在6%±，流量在50m3/min±，抽放纯量达到3m3/min。很大程度上减少了采空区瓦斯的涌出，即使在工作面周期来压时，T1的最大值保证在0.7%以下。通过上隅角埋管抽放，取得了很好的瓦斯治理效果，为有效管理工作面上隅角瓦斯提供了保障。

2 瓦斯抽采系统

矿井原设计地面安装两台流量为200m3/min的瓦斯抽放泵，随着矿井瓦斯治理的需要及采场的变化，目前矿井升级为两套地面集中抽采系统，一套瓦斯抽放泵型号为：2BEY-67水环式真空泵、配备560kW电机，额定流量415m3/min，另一套瓦斯抽放泵泵型号为2BEY-72、配备电机800kW，额定流量为630m3/min，矿井抽采能力由200m3/min，提高到1045m3/min，抽采能力提高了500%以上，矿井抽采系统实现了高低浓两套抽采系统的联合使用，满足了矿井瓦斯治理的需要。

3 抽采瓦斯发电

矿井在2010年建成并投入运营一座低浓度瓦斯发电站，项目总投资1000万元，前期安装3台600KW的低浓度瓦斯发电机组，设计年利用瓦斯纯量在442万m3，二期安装3台，建成后年发电量将达到3600万KWh，实现煤气共采。

目前一期工程已并网发电，实现煤气共采，变废为宝，该机组每天可利用瓦斯2.2万m3， 发电 3.0万kWh，为矿井的节能减排， 循环经济发展找到了一条途径。

4 结语

任楼煤矿通过实施保护层开采瓦斯综合治理及网管式抽采系统建立；己连续多年杜绝了煤与瓦斯动力现象；由于瓦斯发电装机容量的进一步拓展，实现了抽、掘、采、瓦斯利用良性循环。

参考文献：

[1]国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.《防治煤与瓦斯突出规定》 [M].北京：煤炭工业出版社，2009.

[2]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京：工业出版社，2001.

[3]李树刚，刘士琦，梁俊芳.含瓦斯特厚软煤层顶煤运移特征观测[J].西安：西安矿业学院学报，1998（2）.

[4]李树刚.关键层破断前后覆岩离层裂隙当量面积计算[J].西安：西安矿业学院学报，1999（4）.

作者简介：

赵凯（1982-），男，助理工程师，2008年毕业于安徽理工大学，现任恒源煤电集团公司任楼煤矿生产技术部助理工程师。曾多篇。