浅谈祁东矿6201工作面瓦斯抽采治理技术设计专题报告

目录1 绪论21.1 引言21.2 国内外瓦斯抽采治理技术研究现状21.3 我国矿井瓦斯抽放方法及其分析41.3.1 未卸压抽放法41.3.2 邻近层卸压瓦斯抽放51.3.3 采空区瓦斯抽放51.3.4 低透性煤层强化瓦斯抽放61.4 国内外综采面瓦斯治理现状71.5 主要研究方法和内容82 试验工作面开采技术条件82.1 祁东煤业公司概况82.2 6201工作面开采技术条件92.2.1 6201工作面地质条件92.2.2 6201工作面生产技术条件103 祁东矿6201工作面瓦斯综合治理技术133.1 顶板高抽巷边采边抽133.2 内错尾巷风排瓦斯133.3 本煤层钻孔预抽与边采边抽134 本煤层瓦斯抽采特征的实测研究174.1 进风顺槽钻孔瓦斯抽采特征174.2 回风平巷瓦斯抽采特征205 主要结论及存在问题255.1 主要结论255.2 存在问题26参考文献：26浅谈祁东矿6201工作面瓦斯抽采治理技术摘要:本文以祁东矿6201工作面为例，系统介绍了现场所采取的瓦斯抽采治理技术，即采用分源处理方法，针对综放面不同地方瓦斯各个击破，分别采用了顺层钻孔、扇形钻孔、斜向钻孔、高抽巷、瓦斯尾巷等措施，来保障工作面的安全生产。本文还对收集到的现场实测数据进行了分析，将瓦斯抽放过程分为三个时期，即瓦斯抽采原始期、瓦斯抽采增长期、瓦斯抽采衰减期。通过这一分析建议对于瓦斯抽采这一问题，针对我国煤层低透气性这一特点，一定要采取措施增大煤层透气性，并结合矿压规律，合理布置钻孔，随采随抽，以取得较好的经济效益。关键词：瓦斯抽采；煤与瓦斯共采；钻孔；分源；低透气性1 绪论1.1 引言我国是一个以煤为主要能源的国家，在一次能源的总资源量中，煤炭资源约占90%，在一次能源的生产和消费构成中，煤炭所占比例长期保持在75%左右，尽管20世纪90年代大力进行了能源结构的调整，2000年煤炭生产和消费在一次能源中所占比重仍分别达67.2%和67%。从我国拥有及可能利用的能源资源类别来看，以煤为主的能源格局长期内不会有根本的改变，煤矿开采的规模还会很大。因此，要保证国民经济和煤炭工业持续、稳定、健康发展，建设高产高效矿井，提高采掘机械水平，是我国煤矿发展的必由之路。综合机械化采煤在条件适宜时，具有高产高效、成本低、经济效益显著的特点。近年来，随着煤炭科学技术的发展，高产高效矿井数量大大增加，部分矿井经技术改造，通过进行综合机械化装备，矿井的年产量有了很大的提高。但由于综合机械化采煤开采强度大、生产集中、推进速度快，使采煤工作面瓦斯涌出表现出了强度高、数量大和极不均衡等特点，同时综采工作面由于采高较大，走向长度较长，推进速度较快，因而往往形成较大面积的采空区，在顶板周期来压时，常造成工作面及其回风流瓦斯超限，对安全生产构成了极大威胁。煤壁、落煤和采空区是工作面瓦斯涌出的三个部分，其中采空区瓦斯涌出在工作面瓦斯涌出中占有较大的比例。由于综采面多为长壁式回采工作面，而一般长壁工作面采空区的瓦斯涌出量占工作面总瓦斯涌出量的3040%以上，多者达7080%，采空区瓦斯的大量涌出往往导致工作面瓦斯超限频繁和被迫停产。为了保证较高的产量，必须保证一定的割煤速度，因此工作面煤壁、落煤瓦斯涌出难以有效控制，同时，由于采空区瓦斯涌出受多种因素影响，涌出空间也比较大，所以通过对工作面及其采空区瓦斯运移规律的研究，可以有的放矢地采取有效措施，对综采工作面进行瓦斯治理，从而消除制约综采工作面高产高效的这一重要因素，使综采工作面充分发挥其优势，实现真正意义上的高产高效。1.2 国内外瓦斯抽采治理技术研究现状瓦斯事故是煤矿四大灾害之首，我国高瓦斯爆炸煤矿占矿井总数的44%，瓦斯事故死亡矿工占煤矿总死亡人数的30%40%，瓦斯事故又占煤矿重大伤亡事故的70%80%。采煤之前先采气，可从根本上防止煤矿瓦斯事故，改善煤矿安全生产条件，同时，还可以减少矿井建设和生产通风费用1/51/4，有利于提高煤矿的经济效益。所以瓦斯的综合开发利用，不但对煤矿的安全生产和提高经济效益有重要作用，而且对我国的环境保护事业也有着非常深远的意义。我国从20世纪50年代就开始采用井下方法抽放煤层气，当时主要是作为安全措施，防治瓦斯事故的发生，采取的主要技术有本煤层抽放，邻近层抽放，采空区抽放，地面抽放等，但抽放率还不能令人满意。在国外，煤层气井下抽放技术也被广泛采用，如前苏联、德国等。无论是在国内和国外，矿井煤层气的抽放均作为开采安全技术来对待。煤层气主要不作为能源开采对象，因此抽放率往往以能否保证安全为标准。抽放率低，大量煤层气排空而不进行抽放或抽放效果差的矿井，极易发生瓦斯爆炸事故。20世纪80年代以来，独立于矿井之外的地面煤层气开采技术有了长足发展，其中特别是美国、澳大利亚，由于煤层气埋藏条件优越，煤层气工业得到迅速发展。我国有丰富的煤层气资源，20世纪90年代中期，开展了一定的煤层气开发工作，但除极少数煤层渗透性较好的矿区，能收到较好效果外，绝大部分由地面打钻建立的煤层气开采企业收效不高，这也使煤层气地面开采陷入困境。近年来，国内开始引入了美国的多分支水平井钻井技术进行煤层气开采，但是一方面其钻井成本昂贵，每口井达7000万1亿元，另一方面其对煤层的扰动卸压范围和提高渗透性的效果仍然有限，难以适合我国国情和煤层条件。近年来中国矿业大学煤矿矿山岩层控制理论和实践的学者，根据我国煤层特征、煤层气在煤体中的赋存状态等，从采动应力场、煤岩体损伤、裂隙发育与演化场、围岩运动的特征和规律出发，研究采动影响增加煤层渗透性、对煤层气解吸、运移的重要影响等，提出了利用采动卸压与岩层破裂增加煤层渗透性进行煤层气井下开采，实现煤炭与煤层气共同开采的新理念（图1-1），是煤矿开采理论与技术思想的重要创新。在煤层气运移规律方面，周世宁院士对煤层煤层气流动规律的研究表明：煤层气在煤岩体中的运移属于多孔介质中的渗流，符合达西定律。国内外学者如Bibhuti、赵阳升、缪协兴等对裂隙岩体、块裂岩体以及破裂岩体的渗透特性进行了广泛的研究。丁广骧、蒋曙光、王继仁等分别就采空区煤层气流动规律开展了模拟与实测研究。由于对岩移过程中应力场和裂隙场的动态分布特征缺乏深入认识和定量描述，在采后卸压煤层气运移规律的理论分析与数值计算研究中，未能充分体现岩移过程中煤岩体应力场和裂隙场特征。于不凡、俞启香等对解放层开采的卸压作用机理开展了深入的研究，形成了我国独具特色的解放层开采与抽采煤层气相结合的综合防突措施。但就覆岩岩性及其组合对邻近层煤层气涌出及下解放层有效解放范围的影响研究不多。老采空区卸压瓦斯远距离煤层卸压瓦斯邻近层卸压瓦斯本煤层卸压瓦斯煤层卸压抽采煤层采前抽采煤与瓦斯共采提高瓦斯抽采率、降低矿井瓦斯涌出量、消除瓦斯事故、瓦斯资源化利用、消除大气污染回风井风流瓦斯图1-1 煤与瓦斯共采技术体系在瓦斯抽采方面，一般瓦斯抽采方法可分为：地面钻井瓦斯抽采技术和井下瓦斯抽采技术。地面钻井瓦斯抽采技术，虽在国内外已作过研究和试验，但主要是针对煤层赋存稳定、渗透性好的煤层，少数低透气性煤层矿区也曾配合水力压裂等措施进行过地面钻井抽采瓦斯，但产气效果不理想。目前国内外还没有在松软低透煤层成功进行地面钻井抽采瓦斯的实践。国内抽采主要靠采动卸压后井下抽采方法，包括有：本煤层钻孔抽采、邻近层钻孔卸压抽采、采空区钻孔抽采、穿层钻孔抽采和开掘专用瓦斯巷道密闭抽采等。经过近50年的发展，中国煤矿井下煤层气抽采及其利用工作从无到有，从小到大。目前以钱鸣高院士为首的课题组提出了“煤与煤层气共采”技术，它是指利用煤层开采引起的岩层移动对煤层渗透性的增大作用，在采煤的同时高效开采卸压煤层气。在“煤与瓦斯共采”技术方面，岩层运动中的关键层理论所得出的节理裂隙分布、离层规律对上邻近层瓦斯动态涌出与下解放层开采最大卸压高度的影响等瓦斯抽出技术有重要作用。但是，由于目前煤层气抽采理念仍停留在以安全为主的瓦斯抽采上，煤与煤层气共采理论基础尚未建立。目前中国煤矿井下煤层气抽采与其它煤矿井下煤层气抽采利用工作做得比较好的国家相比，还存在着一些差距，主要有:抽采煤层气总量少，利用率低；井下抽采率不高；吨煤煤层气抽采量少，吨煤钻孔量少；综合抽采工作不足，装备和管理水平有待加强和提高。事实上，采动条件下的煤层气运移规律除与煤层气赋存地质条件相关外，主要取决于采动煤岩体应力场与裂隙场的变化。采动后煤岩体应力场和裂隙场的动态研究规律与开采技术条件和覆岩岩性结构及组合紧密相关。对于我国的实际情况，基于采动岩体移动规律研究采动岩体应力场与裂隙场动态演化对煤层气解吸、运移的影响规律及其耦合效应，探讨煤与煤层气共采的理论与技术是今后一个时期在煤层气开采中必然的选择。1.3 我国矿井瓦斯抽放方法及其分析瓦斯抽放方法的发展为高瓦斯和突出危险矿井生产能力的提高以及采煤方法的发展提供了重要保障。矿井瓦斯抽放方法按瓦斯来源可分为开采（本）层抽放、邻近层抽放、采空区抽放、围岩抽放和综合抽放瓦斯法等，按汇集抽采瓦斯的方法可分为钻孔法、巷道法以及钻孔和巷道混合法；按瓦斯抽放原理可分为未卸压抽放、卸压抽放和强化抽放（人为提高煤层透气性或增加涌流暴露面积和连通空道）；按地上、下施工位置可分为地面抽放和矿井抽放瓦斯法等。瓦斯抽放方法的选择主要决定于煤层的地质采矿条件、透气性、瓦斯含量、瓦斯来源构成以及技术经济等因素。1.3.1 未卸压抽放法利用煤巷和钻孔（穿煤钻孔或煤层内沿煤钻孔）对含瓦斯未卸压煤层进行瓦斯抽放。1952年和1954年抚顺龙凤矿在我国首次分别试验成功煤巷和穿层钻孔预抽煤层瓦斯方法，不仅有效地解决了抚顺矿区转入深部开采时的瓦斯灾害防治问题，促进了煤炭生产，而且抽出的瓦斯得到利用，方便了居民生活，改善了矿区环境。该方法适用于煤层透气性好或较好的煤层，这种方法没能在煤层透气性普遍较差的高瓦斯和突出矿井推广应用。1.3.2 邻近层卸压瓦斯抽放煤层群中一个煤层开采以后，受其采动影响，邻近煤层发生程度不同的变形、破坏，产生离层裂隙、垂向破断裂隙和卸压，其透气性成几个数量级地增加，引起卸压瓦斯沿这些裂隙向开采层采空区流动，利用钻孔或巷道对一定距离以内的邻近层卸压瓦斯进行抽放，可以大幅度地减少采煤工作面的瓦斯涌出。阳泉矿务局采煤工作面瓦斯涌出量大，70%以上的瓦斯来源于上邻近层及围岩的卸压瓦斯。1957年阳泉四矿在瓦斯涌出量大于11 m3/min的4011采煤工作面试验顶板穿层钻孔抽放卸压瓦斯获得成功，随后又在4016工作面利用顶板尾巷与地面钻孔，以及4032工作面利用顶板高位尾巷抽放上邻近层卸压瓦斯均获成功，从此，开创了我国上邻近层瓦斯抽放先例，这种“边采边抽”的方法成为该局主要的瓦斯抽放方法。20世纪70年代后期他们采用加密钻孔的方法来提高抽放量，但仍满足不了综采发展和生产集约化要求大抽放量的需要。这时阳泉一矿北头嘴井试验成功抽放能力更大的顶板倾斜岩巷抽放法（高抽巷法），它将上邻近层抽放率提高到85%以上，该方法适用于上邻近层瓦斯涌出量大于30 m3/min的采煤工作面。邻近层卸压瓦斯抽放法在全国得到普遍推广应用，并有很大发展，众多不同方式的邻近层卸压瓦斯抽放都取得良好的效果和巨大效益。长壁式全部垮落法开采，其上覆邻近层中采动裂隙张开闭合动态过程不同的2个分区，大致可用“回”字来描述：中间口字为核心区，它对应于采空区冒落岩石逐渐压实区，该区的采动裂隙经历骤然形成、张开、逐渐闭合的动态过程，在这一过程中，该区煤层的透气性系数和卸压瓦斯也相应地经历着急剧增大、达到峰值、然后逐渐减小的过程；而回字形中大小口之间的环形通道是由不同岩性煤、岩层下沉弯曲度的差异形成的离层裂隙孔洞所构成，这里由于下方的一侧有未采煤柱及悬臂梁的支撑，离层裂隙孔洞得以长期保持敞开而无压实，故环形区成为卸压瓦斯汇集流动的通道。抽放卸压瓦斯的效果与成败取决于汇集瓦斯源那部分钻孔或巷道所在的位置：当钻孔或巷道位于回字形以外的未卸压区时，无卸压瓦斯流；当位于回字形环形区时，可获得最佳的卸压瓦斯流，不仅抽放期长，而且卸压瓦斯来源充足，既有环形区的卸压瓦斯源，又有中间核心区向环形区补给的卸压瓦斯；当位于中间核心区时，可获得开始卸压、充分卸压以及随压实过程而衰减的卸压瓦斯流。1.3.3 采空区瓦斯抽放我国大多数采煤工作面的瓦斯主要来源于采空区，近年来采空区瓦斯抽放成为防治瓦斯向工作面涌出的有效方法与主要措施。其抽放方法主要有低位顶板走向或斜交钻孔、冒落拱钻孔、采空区埋管、开切眼引巷埋管或插管和工作面上隅角插管抽放等。随着无煤柱开采的发展，松藻打通、铁法大兴、淮南潘一、潘三等煤矿成功试验低位顶板走向或斜交钻孔抽放冒落拱上方的卸压瓦斯，取得显著效果，钻孔从风巷侧面钻场开孔，与回风巷夹角1520，仰角1018，孔深80140 m，向采空区冒落拱上方打钻，钻场间距5080 m，每个钻场打钻孔35个，相邻钻场钻孔有4065 m重叠搭接，以保证抽放量连续稳定。钻孔直径越大，抽放量也越高，铁法大兴的经验是，钻孔直径为50、75、89、108和127mm 时其单孔抽放量相应为0.30.5、1.52.0、3.04.0、5.07.0和7.08.0 m3/min。抽放封孔套管内径应与钻孔的直径相同，因此封孔段钻孔需扩孔，封孔长度以56 m为宜。这些矿井抽放工作面的抽放量达1530 m3/min。采空区埋管管口的位置越高，越远离工作面，相对于工作面的负压差越大，采空区与工作面之间的隔离做得愈好，其抽放效果也越好。为保证一定的抽放量，埋管和插管的管径应不低于150 mm。随着管径的增加或管路数目的增多，抽放量也增大。为降低管路支出，可使用菱镁土等管材。抚顺老虎台矿78001-I综放工作面瓦斯涌出量平均为132 m3/min，最高达169.4 m3/min，他们在开切眼引巷预埋直径426 mm管路1条，在工作面采空区埋管4条（直径100 mm的2条，直径150 mm的1条，直径175 mm的l条），分别在距上隅角斜长0、7、23和53 m处设管口，进行采空区抽放，采取伪倾斜水砂充填条带隔离采空区和调节工作面外围通风系统的风压（使采空区气流向引巷流动）等措施提高了抽放效果，使采空区抽放量平均为112 m3/min，最高抽放量达146 m3/min，引巷埋管抽放瓦斯浓度达80%，采空区抽放对这一工作面实现日产煤3 000 t起到了重要保证作用。1.3.4 低透性煤层强化瓦斯抽放我国自20世纪70年代以来对低透气性、高瓦斯和突出危险煤层进行了多种强化抽放开采层瓦斯的探索性试验研究，如煤层水力压裂、水力割缝、水射流扩孔、松动爆破、控制预裂爆破、密集钻孔（穿层孔、顺层孔、大直径孔）、立体交叉钻孔、压气压裂等方法。在这些方法中，一般都能在试验区取得较好效果。现将其中设备与工艺较简单，抽放效果也较好，适宜在井下推广的方法比较如下：1)不同孔径密集钻孔与立体交叉钻孔抽放法不同孔径密集钻孔以及相同孔径不同布孔方式（平行布孔与立体交叉布孔）的抽放效果，在同一试验区，相同抽放时间，大孔径（直径150、300 mm）钻孔抽放瓦斯量是普通钻孔的2.5倍，在大孔径钻孔成孔率较高的煤层，宜采用大孔径钻孔抽放法。立体交叉布孔是在一组平行钻孔上（或下）方一定距离再布置一组与其斜交的钻孔，构成立体交叉网式钻孔群。这是预抽煤层瓦斯布孔上的一种创新。从现场试验结果可知，同一抽放期，同一钻孔密度、同一孔径、在同一试验区域内，立交钻孔的瓦斯抽放量是平行钻孔的1.452.0倍，俄罗斯的试验也取得类似的较好效果。这是一种简单易行、便于推广的方法。在试验工作面回采中，未发现煤壁内斜向钻孔的残孔，这表明，工作面接近与跨越斜向钻孔时，仍能进行正常抽放瓦斯而不发生斜向孔“短路”抽吸空气现象。2)深孔控制预裂爆破与水力割缝增透抽放法深孔控制预裂爆破是一种利用炸药爆破技术来增加煤层透气性的方法。为控制裂缝方向和增加自由面，在爆破孔之间布置不装炸药用来补偿空间控制孔。水力割缝是利用高压水射流在煤层钻孔的两侧割出各宽0.30.6 m的缝，以提高煤层透气性和瓦斯抽放量。深孔控制预裂爆破可使煤层透气系数增加35倍，爆破后利用普通密集钻孔抽放瓦斯，可增加瓦斯抽放量0.50.87倍。水力割缝措施可使煤层透气系数增加12个数量级，割缝后利用钻孔进行瓦斯抽放，割缝区的钻孔瓦斯抽放量可增加12倍。煤矿各级领导要高度重视瓦斯抽放工作，组建专门的抽放管理机构配备专业钻孔施工队伍和装备，严把钻孔施工质量关，杜绝虚报钻孔长度现象；抽放系统按规定装设计量仪表、监测设施和放水器，定期进行抽放系统的维护和检漏加强瓦斯抽放从业人员的技术培训和责任心教育。1.4 国内外综采面瓦斯治理现状我国现有国有重点井工煤矿750多处，根据2002年矿井瓦斯鉴定，全国共有1130多个高瓦斯和突出矿井，占全国总矿井数的国有重点煤矿的矿井瓦斯总涌出量由1993年的44.8亿m3，增至2003年的56.1亿m3。通过对19982004年全国煤矿重大事故的次数、伤亡情况、发生原因、事故性质进行的统计分析结果表明，由瓦斯因素造成的重大事故无论在次数或人员的伤亡方面都是第一位的。近年来，全国煤矿重大瓦斯事故占全部重大事故的比例，发生次数约占5565%，死亡人数占5575%。地方煤矿的瓦斯事故更为严重。因此说，瓦斯事故是我国煤矿最严重的事故之一。纵观我国煤矿历年事故统计资料，瓦斯爆炸事故伤亡人数在全部事故伤亡人数中所占比例呈上升趋势。在重特大事故中，瓦斯事故含瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息的死亡人数己经多年占据首位。由此充分说明了重视煤矿瓦斯防治的紧迫性和重要性。在综采工作面的瓦斯治理研究中，上隅角瓦斯积聚和处理的问题，是国内外技术人员努力攻关的焦点。法国煤矿采用压风引射器引排综采面上隅角的瓦斯，日本、前苏联、波兰和德国用小型气动风机吹散上隅角的积聚瓦斯，前苏联用抽放泵抽排上隅角的瓦斯。在我国，中国矿业大学俞启香教授等采用脉冲射流来对上隅角瓦斯积聚瓦斯进行治理研究。这些方法均取得了一定的效果，但不能达到治本的目的。在瓦斯治理上，国内外也很重视瓦斯抽放，并且采空区瓦斯抽放量在总抽放量中占有较大的比重，如德国等均达到30%左右，除保证安全生产外，采空区的瓦斯抽放还可满足矿井瓦斯利用的需要。我国国家“七五”科技攻关项目“采空区瓦斯抽放技术”、“九五”科技攻关项目“采空区瓦斯抽放工艺与自控装备的研究”都把采空区瓦斯治理作为重大课题来解决，可见国家对采空区瓦斯治理的重视程度。2002年，国家安全监察局提出“先抽后采、监测监控、以风定产”瓦斯治理十二字方针，也把瓦斯抽放工作当作重点来抓。在对采空区的瓦斯治理方面，我国对于采空区瓦斯涌出量较大的综采工作面一般采用采空区瓦斯抽放和处理局部主要是上隅角瓦斯积聚等方法，虽在一定程度上缓解和减少了工作面回风瓦斯超限和局部瓦斯积聚现象，但仍存在着一些问题，如采空区瓦斯抽放效果普遍较差，抽放率低等，瓦斯问题仍严重地制约着综采工作面的安全生产，其原因是在采用治理方法时，未能从综采面整体观念出发，而是采用单一的处理方法，并非综合治理。为此，通过开展综采工作面瓦斯运移规律研究工作，在摸清工作面及其采空区瓦斯运移规律的基础上，从多个方面入手，进行全方位地治理工作面瓦斯，并结合其它方面的瓦斯治理措施，从根本上解决综采工作面安全生产问题。本文主要是介绍一下祁东矿6201工作工作面瓦斯治理措施，以及对其瓦斯抽放效果的分析。1.5 主要研究方法和内容收集6201工作工作面地质、开采技术条件及瓦斯治理措施，运用所掌握及了解的理论对其瓦斯抽放效果及钻孔布置进行分析评价。2 试验工作面开采技术条件2.1 祁东煤业公司概况祁东矿位于左权县城北13 km处，行政区划属左权县寒王乡管辖。其地理坐标为北纬371010371211，东径11324351132637。阳（泉）涉（县）铁路均由井田东界外附近通过，交通条件便利。井田距周围主要城镇的里程如下：北距阳泉90 km，南距涉县87 km，西距榆林50 km，东距邢台82 km。井田位于太行山中段西麓，属中低山侵蚀地貌，地表常年风化剥蚀，沟谷纵横，梁岭绵延、地形比较复杂。总的地势为北高南低，地形最高点位于井田中东部，标高为+1526.80 m；最低点位于井田西南边缘丰垢河床，标高+1234.90 m，地形最大相对高差291.90 m。井田位于我国东部新华夏系构造体系第三隆起带中段的太行山隆褶带与沁水坳陷接壤部位。区域构造为北北东向的单斜。井田构造形态为走向北北东且向北西西缓倾的单斜构造。井田内地层倾角415。井田西南部简会村一带地层较陡，倾角约15。井田北部莲花村圪料村一带地层较缓，倾角约4。井田中部地层倾角约7左右。井田内为单斜构造，地层倾角小，仅发育一条断层，三个陷落柱，构造简单属一类。断层由井田外延伸而来，落差小，近于尖灭，区外有四条断层落差也小，从区域和井田来看，岩层完整，预计构造对煤层、煤质、水文地质及其他开采技术条件不产生大的影响。本井田及周围无岩浆岩活动。井田内主要含煤地层为上石炭统太原组和下二迭统山西组，含煤地层平均总厚212.21 m，煤层平均总厚度13.43 m，含煤系数6.3%。井田内可采煤层共3层，分别为9#、14#、15#煤层，其中15#煤层全井田稳定可采，是井田内主要可采煤层。祁东矿初步设计仅开采15#煤层，其平均厚度为7.4 m，煤层生产能力较大，井田地质构造比较简单，开采技术条件较好，初步设计中采用产量高，安全性好的综放技术开采，本井田可采储量3360 万t，而后备区祁东口井田储量很大，为探索积累开发大型矿井的经验。本井田仅考虑开采15#煤层，确定矿井改扩建后，设计生产能力为0.9 Mt/a，比较改扩建前净增生产能力0.75 Mt/a。通过实测资料分析研究，祁东矿开采61#煤层，年生产能力为1.2 Mt/a时，矿井相对瓦斯涌出量预测值为12.76 m3/t，大于规程规定的10 m3/t的临界值，矿井绝对瓦斯涌出量预测值为73.00 m3/min大于规程规定的40 m3/min的临界值。由此可以得出结论：祁东矿在开采61#煤，年生产能力为1.2 Mt/a时，瓦斯等级定为高瓦斯矿井。2.2 6201工作面开采技术条件2.2.1 6201工作面地质条件6201工作工作面地表位于跑马梁以东，斗芦梁以西的沟谷地带。井下位于混合斜井东侧。工作面标高为+952 m+997 m，地表标高为+1492 m+1375 m，埋藏深度为423 m517 m。工作面走向长425 m，倾斜长152 m，煤层厚6.68 m7.35 m，平均厚度7.02 m，煤层倾角514，平均倾角9。工作面布置图和工作面柱状图分别见图2-1和2-2。图2-1 6201工作面布置图本工作面所采煤层为15#煤层，属贫煤、无烟煤种，该面15#煤层为复杂结构煤层，结构为：2.10（0.23）4.08（0.35）0.26 m，煤层含夹矸2层，中上部顶板向下2.1 m处有一层夹石厚度0.23 m，底板向上0.26 m处是一层0.35 m厚的砂质泥岩，中下部有一层呈条带状结构的煤与夹石细线厚层，厚度0.5 m，煤层节理以一组N500W NE65节理为主。本工作面煤层总体呈一北西方向倾斜的单斜构造，局部波状起伏，煤层倾角最大14，最小5，平均倾角9。本工作面在掘进过程中未遇断层。预计工作面推进到中后部以后，可能会遇到挠曲或断裂构造。本工作面掘进过程中未发现陷落柱及冲刷。本工作面水文地质条件简单，主要充水因素为：工作面上方老顶K2含水层水，回采中老顶垮落后，在低凹地段会出现淋头水或少量涌水现象，尤其在雨季生产时更明显，建议在回采时配备排水设施。工作面预计最大涌水量为15 m3/h。正常涌水量为1.8 m3/h。要求在进风巷道内低洼处提前配备一定能力的排水设施，以防影响安全和正常生产。瓦斯绝对涌出量预计为73 m3/min，相对涌出量预计为11.65 m3/t。煤尘具有爆炸性，煤有自然倾向性。2.2.2 6201工作面生产技术条件工作面采用走向长壁后退式开采，综采放顶煤工艺，全部垮落法管理顶板。采用MG250/571-WD型双滚筒采煤机双向割煤、装煤。中间安装98架ZFSB4000-1.7/2.8型低位放顶煤液压支架，机头、机尾各安装两架ZTF-4800-1.8/2.9型放顶煤支架支护端头。工作面落煤和放煤通过SGZ-764/630型输送机（前部溜）和SGZ-764/630型输送机（后部溜）输送到SZZ-764/200型桥式转载机和SSJ-1000/1602（DSP-1080/1000）型皮带机运出工作面。工作面每割一刀煤，放一茬煤，即采用“一采一放追机放顶煤”的作业方式。液压支架主要工作参数见表2-1。根据抚顺煤科院煤层瓦斯涌出量预测试验报告显示，15#煤层透气性系数为0.1045 m2/（MPa2d），百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.0587（d-1）。根据表5-1可以判断，15#煤百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数大于0.05（d-1），属于较难抽放，但是煤层透气性系数在100.1范围内，由表2-2可知祁东矿15#煤层属可以抽放煤层。采用分源预测法测算工作面瓦斯涌出情况，预计6201工作面日产量在3000 t时，本煤层瓦斯涌出量为24.27 m3/min，本工作面邻近层瓦斯涌出量为8.89 m3/min。为保证安全生产，在6201工作面开采期间采取一系列措施，对本煤层和邻近层涌出的瓦斯进行综合治理。表2-1 ZFSB4000-1.7/2.8支架参数序号项目参数单位支架支架型式支撑掩护式高度17002800mm中心距1500mm宽度14301600mm最大控顶距4660mm最小控顶距4060mm初撑力28MPa工作阻力31.5MPa底板比压1.5MPa支护宽度1430-1600mm支护面积5.377.14m2支护强度0.66MPa操纵方式本架操纵立柱型式单伸缩机械加长缸径（大/小）200mm柱径（大/小）185mm工作阻力31.5MPa表2-2 煤层抽放瓦斯难易程度分类表抽放难易程度指标钻孔瓦斯流量衰减系数(d-1)煤层透气性系数(m2/MPa2d)容易抽放0.00310可以抽放0.0030.05100.1较难抽放0.050.1图2-2 6201工作面综合柱状图3 祁东矿6201工作面瓦斯综合治理技术3.1 顶板高抽巷边采边抽6201工作面高抽巷沿61#煤层布置，距71#煤层顶板距离为70 m，距离回风巷的水平距离为60 m左右，如图2-1所示。为了解决综放面初采期的瓦斯，该面布置有高抽巷、后高抽巷、后高抽配巷，布置形式如图3-1所示。3.2 内错尾巷风排瓦斯6201工作面内错尾巷沿61#煤层顶板布置，61#煤层平均厚度为3.6 m。内错尾巷距离13#煤层顶板4.6 m，距离6201工作面回风巷水平距离为20 m，如图3-1所示。3.3 本煤层钻孔预抽与边采边抽用于本煤层瓦斯抽采的钻孔的布置主要分为以下几个部分：1)进风顺槽的瓦斯抽采钻孔钻孔施工方向与进风平巷中心线垂直，由进风平巷两煤帮开口，进风平巷西翼巷帮钻孔间距为3 m，编号为1160，钻孔数量160个，孔径73 mm，每个钻孔工程量约为50 m，钻孔总工程量6 661 m，钻孔为顺层钻孔，根据煤层倾角确定钻孔设计角度，开孔位置离底板高度为1 m。进风平巷东翼巷帮钻孔分两排布置，上下两排钻孔的水平投影间距为1.5 m。上排钻孔编号为321480，钻孔间距为3 m，钻孔数量160个，孔径73 mm，单孔工程量约为50 m，钻孔总工程量5 340 m，钻孔为顺层钻孔，开孔位置离底板高度为1.5 m；下排钻孔编号为161320，钻孔间距为3 m，钻孔数量为160个，孔径73 mm，每个钻孔工程量约为50 m，钻孔总工程量为6 255 m，钻孔为顺层钻孔，开孔位置离底板高度为1 m，根据煤层倾角确定钻孔设计角度，开孔位置离底板高度为1 m。进风平巷的瓦斯抽采钻孔设计角度见表3-1，钻孔布置示意图见图3-2。2)回风平巷的瓦斯抽采钻场与钻孔回风平巷瓦斯抽采钻场共布置11个，1#4#各个钻场之间的间距为60 m，4#11#各个钻场之间的距离为30 m，每个钻场设计钻孔9个（其中11#钻场4个钻孔），共计94个，进尺7 647 m。钻场内钻孔布置形式如图3-3所示，钻场钻孔参数见表3-2。图3-1 6201工作面高抽巷布置形式图表3-1 钻孔设计角度表孔号钻孔方位角煤层倾角钻孔角度工程量1160314-7-750 m1613201347750 m32148013471350 m回风平巷相邻钻场之间布置两排顺层钻孔，上下两排钻孔的水平投影间距为1.5 m 。上排钻孔编号为1108，钻孔间距为3 m，钻孔数量108个，孔径73 mm，每个钻孔工程量约为50 m，钻孔总工程量4 954 m，开孔位置离底板高度为1.5 m；下排钻孔编号为109208，钻孔间距为3 m，钻孔数量108个，孔径73 mm，每个钻孔工程量约为50 m，钻孔总工程量4 572 m，开孔位置离底板高度为1 m，根据煤层倾角分段确定钻孔设计角度。回风平巷钻孔布置示意图见图3-4，钻孔设计角度见表3-3。图3-2 6201工作面进风顺槽钻孔布置示意图图3-3 6201工作面回风顺槽钻场内钻孔布置示意图表3-2 钻场钻孔参数表 孔号参数1#2#3#4#5#6#7#8#9#合计方位角/（）445260687648566472吊挂角度/（）-5-5-5-5-5-3-3-3-3进尺/m1201221248972121123103799533）回采工作面内错尾巷的瓦斯抽采钻孔内错尾巷布置了两种形式瓦斯抽采钻孔：（1） 内错尾巷瓦斯抽采钻孔垂直于内错尾巷巷道中心线，钻孔间距为3 m，钻孔数量为156个，每个钻孔工程量约为40 m，钻孔总工程量为6 523 m，根据煤层倾角分段确定钻孔设计角度，开孔位置离底板高度为1 m。6201工作面内错尾巷顺层钻孔布置示意图见图3-5。表3-3 钻孔设计角度表孔号钻孔方位角煤层倾角钻孔角度工程量1108314-7-750 m109208314-7-150 m图3-4 6201工作面回风顺槽钻孔布置示意图图3-5 6201工作面内错尾巷顺层钻孔布置示意图（2）随着煤层开采进入瓦斯含量较大的深部，回采工作面生产能力的提高和工作面推进速度的加快，必然导致瓦斯涌出量的大幅度提高。我国绝大部分采煤工作面均采用U型通风方式，其上隅角是采空区瓦斯的集中涌出区域。相对于工作面的空气来说，采空区内高浓度瓦斯的密度较小，当具有高差时便产生“瓦斯风压”的自然上升力，它驱使采空区内高浓度瓦斯向上隅角运移，这加强了上隅角的瓦斯积聚。在工作面与回风巷的结合部，主风流流动方向发生急剧变化，工作面上隅角处于风流拐弯的涡流区，风流速度很低，涡流运动使采空区高浓度瓦斯在涡流区中作循环运动，难以排放到主风流中，从而加剧了上隅角涡流区的瓦斯积聚。统计资料表明，当回采工作面绝对瓦斯涌出量大于23 m3/min时，则可能出现上隅角瓦斯积聚现象。为了解决综放面初采期上隅角的瓦斯，内错尾巷内布置了穿层钻孔，钻孔由内错尾巷煤壁向工作面上隅角方向施工，钻孔与内错尾巷中心线的夹角为46。每2个孔为一组，组内的孔间距为1 m，相邻两组钻孔之间的距离为20 m。钻孔数量为40个，每个钻孔的工程量为30 m，总工程量为1 200 m。6201工作面内错尾巷穿层钻孔布置示意图见图3-6。图3-6 6201工作面内错尾巷穿层钻孔布置示意图4 本煤层瓦斯抽采特征的实测研究4.1 进风顺槽钻孔瓦斯抽采特征6201工作面自2007年9月23日试采起至2007年12月25日观测结束，进风平巷共推进90.85 m，期间进风顺槽各瓦斯抽采观测钻孔的实际施工情况见表4-1，观测钻孔的抽采情况见图4-1和图4-2。表4-1 进风平巷观测钻孔实际施工情况 观测孔号参数138#300#461#296#458#291#453#285#447#实际进尺/m322922322130245048封孔长度/m999999999钻孔角度/（）-7713713713713（a） 300#钻孔单孔瓦斯抽采情况（b） 300#钻孔所在组瓦斯抽采总量情况图4-1 进风平巷东翼下排钻孔瓦斯抽采情况（a） 461#钻孔单孔瓦斯抽采情况（b） 461#钻孔所在组瓦斯抽采总量情况图4-2 进风平巷东翼上排钻孔瓦斯抽采情况由于6201进风平巷西翼钻孔的抽放管路给胶带输送机的移动及维修带来不便，同时也经常因为胶带输送机的移动和维修使得抽放管路断开，这既影响了工作面生产的正常进行，也严重影响了进风平巷瓦斯抽采的效果，故在2007年10月31日工作面推进21.7 m时将进风平巷西翼的抽放管路关闭，以保证东翼钻孔的抽采效果。由图4-1和图4-2可以看出：1）各钻孔从封孔到开始抽放期间内钻孔内积聚了一部分瓦斯，因此在钻孔刚开始抽采的一段时间内观测到的瓦斯抽采量比较大，随后逐步降低。2）受工作面初采期生产不正常、抽放管路漏气以及抽放管路负压变化等原因影响，进风顺槽瓦斯抽采钻孔的抽采量处于波动状态，波动幅度相对较大。3）15#煤属于可以抽放煤层，工作面生产过程中的矿山压力作用对提高本煤层钻孔抽放效果起到很显著的作用，通过观测可以发现进风平巷瓦斯抽采钻孔抽采量变化情况大致可以分为三个阶段：距工作面平均21.3 m以外为瓦斯抽采原始期；第二阶段为瓦斯抽采增长期，该阶段从距工作面平均21.3 m处开始到距工作面平均10.3 m处结束；第三阶段为瓦斯抽采衰减期，该阶段从距工作面平均10.3 m处至抽采钻孔拆除。（1）瓦斯抽采原始期。该阶段内煤体未受到工作面生产的影响，煤体的应力场、孔隙度以及瓦斯的赋存状态都未发生变化，因而钻孔内的瓦斯抽采量都比较小，抽采效果不明显。（2）瓦斯抽采增长期。该阶段内煤体由于受到工作面开采的影响，煤岩层的应力场和裂隙场发生改变，在煤体中形成了煤层采动裂隙，而且瓦斯压力也有所减小，相应吸附态瓦斯转化为游离瓦斯，从而使得钻孔瓦斯抽采量开始增长。本阶段内钻孔瓦斯抽采量保持上升趋势，并最终达到最大值。（3）瓦斯抽采衰减期。该阶段内随着工作面的继续推进，该阶段内煤体受到超前支撑压力峰值不断前移的影响，使得煤体内之前形成的煤层采动裂隙又逐渐闭合，钻孔瓦斯抽采量开始逐步下降。4.2 回风平巷瓦斯抽采特征1）回风平巷顺层钻孔瓦斯抽采特征6201工作面自2007年9月23日试采起至2007年12月25日观测结束，回风平巷共推进93.4 m，期间回风平巷各瓦斯抽采观测钻孔的实际施工情况见表4-2，观测钻孔的抽采情况见图4-3和图4-4。表4-2 回风平巷观测钻孔实际施工情况 观测孔号参数103#203#96#197#85#191#80#184#实际进尺/m5050404250344335封孔长度/m99999999钻孔角度/（）-7-1-7-1-7-1-7-1103#钻孔单孔瓦斯抽采情况图4-3 回风平巷上排钻孔瓦斯抽采情况由图4-3和图4-4可以看出：（1）各钻孔从封孔到开始抽放期间内钻孔内积聚了一部分瓦斯，因此在钻孔刚开始抽采的一段时间内观测到的瓦斯抽采量比较大，随后逐步降低。（2）受工作面初采期生产不正常、抽放管路漏气以及抽放管路负压变化等原因影响，回风平巷瓦斯抽采钻孔的抽采量处于波动状态，波动幅度相对较大。（3）回风平巷瓦斯抽采钻孔抽采量变化情况同样可以大致分为三个阶段，距工作面平均20.7 m以外为瓦斯抽采原始期；第二阶段为瓦斯抽采增长期，该阶段从距工作面平均20.7 m处开始到距工作面平均10.0 m处结束；第三阶段为瓦斯抽采衰减期，该阶段从距工作面平均10.0 m处至抽采钻孔拆除。瓦斯抽采原始期。该阶段内煤体未受到工作面生产的影响，煤体的应力场、孔隙度以及瓦斯的赋存状态都未发生变化，因而钻孔内的瓦斯抽采量都比较小，抽采效果不明显。瓦斯抽采增长期。该阶段内煤体由于受到工作面开采的影响，煤岩层的应力场和裂隙场发生改变，在煤体中形成了煤层采动裂隙，而且瓦斯压力也有所减小，相应吸附态瓦斯转化为游离瓦斯，从而使得钻孔瓦斯抽采量开始增长。本阶段内钻孔瓦斯抽采量保持上升趋势，并最终达到最大值。瓦斯抽采衰减期。该阶段内随着工作面的继续推进，该阶段内煤体受到超前支撑压力峰值不断前移的影响，使得煤体内之前形成的煤层采动裂隙又逐渐闭合，钻孔瓦斯抽采量开始逐步下降。2）回风平巷钻场钻孔瓦斯抽采特征6201工作面自2007年9月23日试采起至2007年12月25日观测结束，回风平巷共推进93.4 m，期间回风平巷钻场瓦斯抽采观测点的抽采情况见图4-5。203#钻孔单孔瓦斯抽采情况图4-4 回风平巷下排钻孔瓦斯抽采情况钻场内钻孔设计位置见图4-6，其中9-74#钻孔在2#位置，10-85#钻孔和11-94#钻孔在4#位置，9-78#钻孔和10-87#钻孔在6#位置，钻场内观测孔的实际布置情况见表4-3和图4-6。由图4-5可以看出：1）受工作面初采期生产不正常、抽放管路漏气、抽放管路负压变化以及钻孔出水等原因的影响，回风平巷钻场瓦斯抽采钻孔的抽采量处于波动状态，波动幅度相对较大。2）由于各个钻孔的布置角度和成孔情况有所不同，所以各观测孔的瓦斯抽采量有一定差异。3）回风平巷钻场瓦斯抽采钻孔抽采量变化情况同样可以大致分为三个阶段，即瓦斯抽采原始期、瓦斯抽采增长期和瓦斯抽采衰减期。但由于各孔的方位角和进尺不同，故各阶段范围划分不一致。瓦斯抽采原始期。对于2#位置的孔（方位角52），在其孔底距工作面平均17.7 m以外为瓦斯抽采原始期；对于6#位置的孔（方位角48），在其孔底距工作面平均16.8 m以外为瓦斯抽采原始期。瓦斯抽采增长期。对于2#位置的孔（方位角52），其孔底距工作面平均17.73.1 m之间为它的瓦斯抽采增长期，影响范围14.6 m；对于6#位置的孔（方位角48），其孔底距工作面平均16.8 m7.98 m之间为它的瓦斯抽采增长期，影响范围8.82m。瓦斯抽采衰减期。对于2#位置的孔（方位角52），从孔底距工作面平均3.1 m到管路拆除之间为它的瓦斯抽采衰减期；对于6#位置的孔（方位角48），从孔底距工作面平均7.98 m到管路拆除之间为它的瓦斯抽采衰减期。4）钻场内2#孔平均抽采量为0.07 m3/min，4#孔平均抽采量为0.408 m3/min，6#孔平均抽采量为0.094 m3/min，8#孔平均抽采量为0.270 m3/min。可见钻场内钻孔抽采量在一定范围内随钻孔方位角的增大而增多，且越偏向工作面顺槽方向增加幅度越大。（a） 9-74#钻孔单孔瓦斯抽采情况（b） 9-78#钻孔单孔瓦斯抽采情况（c） 9#钻场瓦斯抽采情况图4-5 9#钻场瓦斯抽采情况 图4-6 钻场内钻孔设计位置图表4-3 钻场内各观测孔实际进尺观测孔号9-74#9-78#钻场内具体位置号2#6#实际进尺/m67.494.55 主要结论及存在问题5.1 主要结论本文主要是介绍祁东矿6201工作面针对瓦斯现场采取的措施，结合现场实测数据，分析了其瓦斯涌出规律，主要结论有以下几点：1）从上面的分析可以看出，无论是进