馬蘭礦18506 工作面瓦斯抽采技術(shù)研究及應(yīng)用

馬 勇

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

2019 年我國(guó)大型煤炭企業(yè)采煤機(jī)械化程度為98.1%。根據(jù)我國(guó)煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃，到2020 年全國(guó)煤礦的采煤機(jī)械化程度將達(dá)到85%。綜合機(jī)械化采煤具有高產(chǎn)高效的特點(diǎn)，但對(duì)礦井安全產(chǎn)生了一定的不利影響。尤其對(duì)于大采高高瓦斯及瓦斯突出礦井，由于綜采的推進(jìn)速度快，頂板垮落面積大，瓦斯集中涌出，極易造成回風(fēng)流、上隅角等局部地點(diǎn)瓦斯超限，影響礦井安全生產(chǎn)[1-3]。因此，降低瓦斯?jié)舛取⑾怀鑫ｋU(xiǎn)是實(shí)現(xiàn)高瓦斯礦井安全回采的關(guān)鍵。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)條件

馬蘭礦18506 工作面位于南五采區(qū)，所采煤層為8 號(hào)煤。煤層均厚4.43 m，平均傾角4°，工作面頂?shù)装迩闆r如柱狀圖所示。

圖1 18506 工作面柱狀圖

1.2 生產(chǎn)條件

18506工作面傾斜長(zhǎng)度251 m，走向長(zhǎng)度1300 m，采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化一次采全高開(kāi)采方法，全部垮落法管理頂板。

1.3 瓦斯情況

山西焦煤集團(tuán)2017 年—2019 年對(duì)馬蘭礦進(jìn)行的瓦斯鑒定結(jié)果如表1 所示，由表可以看出，馬蘭礦為高瓦斯突出礦井。

表1 瓦斯涌出量鑒定

馬蘭礦18506 工作面掘進(jìn)期間的絕對(duì)瓦斯涌出量為1.8 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為3.1 m3/t，瓦斯壓力為0.43 MPa。

根據(jù)沈陽(yáng)煤科院對(duì)礦井8#煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定結(jié)果，結(jié)合工作面掘進(jìn)期間瓦斯涌出量，預(yù)計(jì)18506 綜采工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量為35.56 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量6.13 m3/t。采用抽排措施后，預(yù)計(jì)回采期間風(fēng)排瓦斯量10 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為2.4 m3/t，瓦斯抽采量25.56 m3/min。

1.4 通風(fēng)路線

18506 工作面采用 “U”型通風(fēng)的方式，新鮮風(fēng)流從皮帶巷進(jìn)入，過(guò)工作面后的污風(fēng)經(jīng)輔運(yùn)巷排出。

（1）新鮮風(fēng)流：地面→付立井/付斜井/主斜井→910 南大巷→南下組煤石門(mén)→南五下組煤輔助運(yùn)輸下山→18506 皮帶巷→工作面。

（2）污風(fēng)風(fēng)流：工作面→18506 輔運(yùn)巷→ 回風(fēng)聯(lián)巷→南五下組煤右（左）翼集中回風(fēng)巷→南五下組煤回風(fēng)下山/南五下組煤補(bǔ)回風(fēng)下山→南五下組煤回風(fēng)斜巷→980 回風(fēng)巷→南一回風(fēng)巷/南一補(bǔ)回風(fēng)巷→南一回風(fēng)井→地面。

2 瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

目前瓦斯涌出量的預(yù)測(cè)方法主要有瓦斯涌出梯度法和分源預(yù)測(cè)法。其中，分源預(yù)測(cè)法相對(duì)比較系統(tǒng)、完善，在國(guó)內(nèi)煤礦中得到了廣泛的應(yīng)用。該方法的實(shí)質(zhì)是對(duì)不同來(lái)源的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)計(jì)疊加。根據(jù)煤層的賦存條件和開(kāi)采技術(shù)條件，結(jié)合不同瓦斯涌出源（包括本煤層、鄰近煤層、采空區(qū)瓦斯）的涌出規(guī)律，預(yù)估得出本煤層開(kāi)采和下工作面巷道掘進(jìn)的瓦斯涌出量，同時(shí)考慮采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，幾個(gè)數(shù)值相加即為工作面回采期間的預(yù)計(jì)瓦斯涌出量[4-5]。

利用該方法對(duì)馬蘭礦18506 工作面回采期間的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)馬蘭礦的開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，8號(hào)煤層瓦斯的主要來(lái)源是本煤層，采用如下公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：qb為瓦斯相對(duì)涌出量，m3/t；k1為圍巖瓦斯涌出系數(shù)，垮落法開(kāi)采取1.3；k2為工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，取1.15；k3為下工作面巷道的瓦斯涌出影響系數(shù)，取0.9；x0為煤層瓦斯含量，m3/t；x1為煤層殘余瓦斯含量，m3/t。

根據(jù)以上計(jì)算可得，18506 工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量為35.6 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為 6.13 m3/t。從預(yù)計(jì)結(jié)果看，回采期間僅僅靠通風(fēng)難以消除瓦斯的影響。為保證回采安全，按照“先抽后采”的方針，必須對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行抽采。

3 瓦斯抽采設(shè)計(jì)

3.1 瓦斯抽采方法

當(dāng)前高瓦斯防治和煤與瓦斯突出防治技術(shù)主要包括開(kāi)采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯兩種。其中開(kāi)采保護(hù)層的效果最好，但應(yīng)用上有一定的限制。而煤層瓦斯抽采則應(yīng)用較廣，主要包括井下穿層鉆孔預(yù)抽、順層鉆孔預(yù)抽及地面井預(yù)抽等，如圖2。

圖2 煤礦瓦斯抽采方法

結(jié)合馬蘭礦18506 工作面的實(shí)際情況，決定采用順層抽采、高抽巷抽采、裂隙帶抽采等多種方式聯(lián)合抽采瓦斯。

3.2 本煤層抽采

在18506 工作面運(yùn)輸巷和運(yùn)料巷布置煤層順層鉆孔，抽采工作面煤層瓦斯。

順層鉆孔的布置分扇形布置和垂巷布置兩種，如圖3。在運(yùn)料巷切眼附近布置扇形鉆孔，間距為2 m，深度為44～277 m 不等。切眼以外的運(yùn)料巷及運(yùn)輸巷布置垂巷順層鉆孔，其基本參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 順層鉆孔參數(shù)

圖3 順層抽采鉆孔布置

為增強(qiáng)圍巖通透性，提高抽采濃度，在所有的垂巷順層鉆孔中間隔利用CO2增透技術(shù)對(duì)孔壁進(jìn)行預(yù)裂。

3.3 高抽巷抽采

在18506 工作面頂板區(qū)域內(nèi)掘進(jìn)高抽巷，位置如圖4。巷道斷面為4.3 m×3.0 m（寬×高），總長(zhǎng)度為1300 m，巷內(nèi)鋪設(shè)直徑為630 mm 的瓦斯抽采管路，進(jìn)行密閉帶抽，用于工作面裂隙帶瓦斯抽采。

圖4 高抽巷位置示意圖

3.4 裂隙帶鉆孔抽采

工作面初采期間煤層瓦斯涌出量增加，同時(shí)采空區(qū)殘余的煤炭資源也有瓦斯涌出，極易造成上隅角的瓦斯超限，初采期間的瓦斯治理是關(guān)鍵。為此在18506 工作面運(yùn)料巷及開(kāi)切眼施工裂隙帶鉆孔，孔徑均為113 mm。

從開(kāi)切眼以外40 m 開(kāi)始在運(yùn)料巷內(nèi)施工裂隙帶抽采鉆孔，共計(jì)4 組24 個(gè)鉆孔，在頂板處開(kāi)孔，孔深51～71 m 不等，具體位置如圖5。

開(kāi)切眼內(nèi)高抽巷的投影范圍內(nèi)施工9 個(gè)裂隙帶抽采鉆孔，鉆孔終孔位于18506 高抽巷內(nèi)，孔深為82～117 m 不等。

圖5 裂隙帶鉆孔位置示意圖

3.5 其他輔助技術(shù)措施

（1）加強(qiáng)重點(diǎn)區(qū)域管理

除工作面上隅角外，要加強(qiáng)乳化液泵站、采空區(qū)、采煤機(jī)及其他電氣設(shè)備處瓦斯?jié)舛鹊臋z查，同時(shí)對(duì)抽采異常的鉆孔、檢查孔等重點(diǎn)管理。

（2）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控

在18506 工作面安裝KJ-90NB 型監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)屏蔽通信電纜與地面調(diào)度室連接。同時(shí)在工作面兩巷及端頭安設(shè)分站及傳感器，全面監(jiān)測(cè)工作面瓦斯、一氧化碳等的濃度情況，全天24 h 不間斷監(jiān)控。

（3）合理通風(fēng)

通風(fēng)是降低工作面瓦斯?jié)舛鹊淖钣行А⒆钪苯雍妥罱?jīng)濟(jì)的方法。在工作面兩巷及下山的合理位置設(shè)置采區(qū)測(cè)風(fēng)站和18506 采煤工作面臨時(shí)測(cè)風(fēng)站，定時(shí)測(cè)風(fēng)。當(dāng)監(jiān)測(cè)到工作面瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量，加大測(cè)風(fēng)頻率，確保風(fēng)量充足。

4 應(yīng)用效果

馬蘭礦18506 工作面回采期間實(shí)際配風(fēng)量約為2260 m3/min，從工作面開(kāi)切眼開(kāi)始，風(fēng)量一直穩(wěn)定在2200 m3/min 左右。工作面兩巷的順層鉆孔中抽采瓦斯的平均濃度保持在25%左右，單孔流量約為0.01 m3/min。高抽巷中的瓦斯抽采濃度相對(duì)較低，為20%左右。上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于0.7%，回風(fēng)流中瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于0.4%，整個(gè)工作面回采過(guò)程中未發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象。

5 結(jié)論

（1）馬蘭礦8 號(hào)煤的瓦斯涌出來(lái)源主要是本煤層，利用分源法預(yù)測(cè)18506 工作面回采期間的絕對(duì)瓦斯涌出為35.6 m3/min，需進(jìn)行抽采。

（2）對(duì)比兩種瓦斯治理措施，結(jié)合馬蘭礦18506 工作面的實(shí)際情況，決定采用順層抽采、高抽巷抽采和裂隙帶抽采等多種方式聯(lián)合抽采瓦斯。

（3）在瓦斯抽采的基礎(chǔ)上，通過(guò)采取加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理及監(jiān)測(cè)監(jiān)控等措施，實(shí)現(xiàn)了18506 工作面的安全回采，可為類似條件下的瓦斯治理提供參考。