馬蘭礦18502 工作面以孔代巷瓦斯抽采技術(shù)研究

馬 勇

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

0 引 言

由于我國多煤、少氣、少油的能源賦存結(jié)構(gòu)，煤炭在一次能源消費(fèi)和產(chǎn)出中占據(jù)50%以上的比重，長期以來是最主要的能源。而我國井工煤礦絕大多數(shù)是瓦斯、高瓦斯礦井。瓦斯是煤礦生產(chǎn)中最主要的災(zāi)害之一，因其引發(fā)的安全事故是我國礦井最嚴(yán)重的事故之一[1]。目前防治瓦斯的有效方法是在采煤工作面開采前或開采過程中將瓦斯抽出，降低瓦斯涌出量，達(dá)到避免工作面瓦斯超限的效果，臨近層抽采、高位裂隙帶抽采、高抽巷抽采等等都是瓦斯抽采的重要措施[2]。但實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)這些措施依然存在較多問題，如高抽巷工作量大成本高、瓦斯涌出量小于30 m3/min 時(shí)無法發(fā)揮作用等[3]。本文針對(duì)馬蘭礦18502 工作面瓦斯抽采過程中存在的問題提出了改進(jìn)措施，成功實(shí)現(xiàn)了“以孔代巷”的技術(shù)路線，瓦斯抽采效果顯著，解決了工作面瓦斯超限問題。

1 馬蘭礦18502 工作面概況

馬蘭煤礦是隸屬于西山煤電集團(tuán)公司的國有重點(diǎn)大型現(xiàn)代化礦井，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力400 萬t。18502工作面位于馬蘭礦910 水平，是南五下組煤采區(qū)的第4 個(gè)回采工作面，采區(qū)總面積5.64km2，可采儲(chǔ)量1 242.2 萬t。采區(qū)東北側(cè)為馬蘭礦下銜接水平，東南側(cè)為屯蘭河床及下銜接水平；西南側(cè)為南六采區(qū)，西北側(cè)為南一和南三采區(qū)。

18502 工作面煤層厚度4.20～4.94 m，平均4.51 m，走向長1 197 m，傾斜長261 m，面積312 417m2。煤層特征如表1 所示，頂?shù)装迩闆r如表2 所示。該工作面采用“一面四巷”，分別為：輔運(yùn)巷、皮帶巷、高抽巷和底抽巷。輔運(yùn)巷里程442～466 m 預(yù)計(jì)揭露X2三維勘探陷落柱，里程638～714 m 預(yù)計(jì)揭露S91 陷落柱，該陷落柱為2 號(hào)煤工程揭露控制，切眼里程16～98 m 東北側(cè)最小間隔33.6 m 為S72 陷落柱（間距最近位于里程61 m 處），S91 和S72 陷落柱在2號(hào)煤層揭露中均未發(fā)現(xiàn)含導(dǎo)水情況，施工過程中可能還有新的隱伏陷落柱揭露。

表1 煤層特征表

表2 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 工作面瓦斯抽采現(xiàn)存問題

馬蘭礦南五下組煤采區(qū)屬按煤與瓦斯突出區(qū)域管理, 參照鄰近18504 工作面回采期間及18504 掘進(jìn)工作面掘進(jìn)期間的瓦斯涌出情況結(jié)合瓦斯鑒定參數(shù)分析，預(yù)計(jì)預(yù)抽后18502 工作面掘進(jìn)期間絕對(duì)瓦斯涌出量1.8 m3/min，高抽巷掘進(jìn)期間絕對(duì)瓦斯涌出量1.2 m3/min；18502 回采時(shí)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為39.94 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量7.09 m3/t，其中本煤層瓦斯涌出量27.55 m3/min，占瓦斯涌出總量的68.98%，鄰近層瓦斯涌出量12.39 m3/min，占瓦斯涌出總量的31.02%。

工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，即皮帶巷進(jìn)風(fēng)，輔運(yùn)巷回風(fēng)。因工作面絕對(duì)瓦斯涌出量大于5 m3/min，根據(jù)規(guī)定工作面必須進(jìn)行瓦斯抽采，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定工作面采用本煤層抽采、底抽巷下鄰近層抽采、高抽巷抽采、上隅角懸管抽采。預(yù)計(jì)工作面回采期間抽采后風(fēng)排瓦斯涌出量為9 m3/min。

18502 工作面目前利用輔運(yùn)巷、皮帶巷和底抽巷分別進(jìn)行本煤層瓦斯抽采和下鄰近煤層抽采；利用懸管和措施巷鉆場(chǎng)裂隙帶鉆孔、高抽巷分別對(duì)工作面上隅角和裂隙帶進(jìn)行瓦斯抽采。其中針對(duì)工作面頂板裂隙帶瓦斯采用兩個(gè)鉆場(chǎng)抽采，1 號(hào)鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)鉆孔水平投影740 m，現(xiàn)1-1 號(hào)鉆孔已施工至600 m。但是在施工期間發(fā)現(xiàn)鉆孔涉及不甚合理，長度較長，且正在穿經(jīng)陷落柱，鉆孔施工到位以及成孔難度大，進(jìn)度緩慢，嚴(yán)重影響抽采效果。

圖1 瓦斯抽采改進(jìn)方案示意圖

3 瓦斯抽采方案改進(jìn)及效果評(píng)價(jià)

近年來“以孔代巷”瓦斯治理思路因其施工靈活、生產(chǎn)效率高但成本很低等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛應(yīng)用[4,5]。因此，馬蘭礦針對(duì)18502 工作面目前存在的瓦斯抽采問題，結(jié)合工作面實(shí)際情況提出了改進(jìn)方案：將利用巷道抽采變更為利用大直徑頂板走向孔配合大直徑采空區(qū)抽采鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，將底抽巷位置調(diào)整到上山方向外錯(cuò)18502 輔運(yùn)巷25 m（實(shí)體煤柱20 m 位于9 號(hào)煤層），利用該巷道施工大直徑采空區(qū)抽采鉆孔和下鄰近層鉆孔，同時(shí)在18502 輔運(yùn)巷內(nèi)布置三個(gè)鉆場(chǎng)施工大直徑頂板走向孔。

3.1 鉆孔布置

1）大直徑頂板走向孔：如圖2 所示，在18502 輔運(yùn)巷里程67 、400 、720 m 處右?guī)透鞑贾靡粋€(gè)鉆場(chǎng)。鉆場(chǎng)規(guī)格5.0 m（深）×7.0 m(寬)×巷高，鉆場(chǎng)內(nèi)布置7 個(gè)鉆孔，對(duì)18502 工作面裂隙帶及采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。鉆孔軌跡平穩(wěn)后，1 號(hào)孔水平投影位于距18502 輔運(yùn)巷回采幫1 m，垂高（指軌跡穩(wěn)定后的垂高）為8 m（對(duì)應(yīng)層位：中粒砂巖）；2 號(hào)、3 號(hào)孔水平投影分別位于內(nèi)錯(cuò)18502 輔運(yùn)巷10 m、20 m，垂高為25 m（對(duì)應(yīng)層位：砂質(zhì)泥巖）；4 號(hào)、6 號(hào)孔水平投影分別位于內(nèi)錯(cuò)18502 輔運(yùn)巷30 m、50 m，垂高為45 m（對(duì)應(yīng)層位：粉砂巖）；5 號(hào)、7 號(hào)孔水平投影分別位于內(nèi)錯(cuò)18502 輔運(yùn)巷40 m、60 m，垂高為50 m（對(duì)應(yīng)層位：粉砂質(zhì)泥巖）。所有鉆孔均選用120mm 鉆頭開孔，二次擴(kuò)孔至170 mm，最終擴(kuò)至203 mm。鉆場(chǎng)鉆孔沿工作面水平投影孔深470 m。先進(jìn)行7 號(hào)鉆孔的施工，詳細(xì)記錄巖層情況，若鉆孔軌跡平穩(wěn)時(shí)對(duì)應(yīng)巖層出現(xiàn)堵孔預(yù)兆，則將對(duì)應(yīng)鉆孔的垂高（軌跡穩(wěn)定后的垂高）向下調(diào)整至最近的穩(wěn)定巖層，使鉆孔軌跡平穩(wěn)在該巖層中。

圖2 大直徑頂板走向孔平面示意圖

2）大直徑采空區(qū)抽采鉆孔：在瓦斯鑒定巷內(nèi)施工大直徑采空區(qū)抽采鉆孔，從巷道里程1 190 m 至110 m 處向輔運(yùn)巷施工鉆孔，鉆孔方向與巷道回采幫相垂直，每2 個(gè)鉆孔之間間距為30 m，共布置37個(gè)鉆孔（鉆孔編號(hào)1 號(hào)-37 號(hào)），鉆孔開孔距巷道底板1.1 m，最后一個(gè)鉆孔的位置為巷道頂板和18502輔運(yùn)巷保險(xiǎn)幫之間的夾角附近，鉆孔深度為23～24 m，均選用153 mm 鉆頭開孔，二次擴(kuò)孔至500 mm，鉆孔總進(jìn)尺867m。

3）下鄰近層鉆孔：在瓦斯鑒定巷內(nèi)施工下鄰近層鉆孔，鉆孔的布置范圍從巷道里程1 189m 至89 m，總共施工鉆孔221 個(gè)（鉆孔編號(hào)1 號(hào)-221 號(hào)），鉆孔施工高度距離巷道地面1.3～1.5 m，每2 個(gè)鉆孔之間間隔5 m，每個(gè)鉆孔深度為282 m，孔徑為113 mm，施工方向和巷幫相互垂直，傾角和煤層傾角相同。

3.2 封孔工藝

1）大直徑頂板走向孔：如圖3 所示，采用袋裝聚氨酯封孔，鉆孔施工完畢后，鉆機(jī)及時(shí)向孔內(nèi)推入規(guī)格3 m 4 寸PVC 套管（全程使用PVC 管，下套管深度以套管底端進(jìn)入穩(wěn)定巖層為準(zhǔn)）。在套管距孔口0.5、3、5、7 m 處分別捆綁一道封孔膠，每道封孔膠不少于4 袋，封孔深度6.6 m。待封孔膠充分反應(yīng)后，在孔口200 mm 段用水泥砂漿進(jìn)行固孔。若反應(yīng)結(jié)束后孔口段不足200 mm 時(shí)，應(yīng)用工具掏入200 mm 后再進(jìn)行砂漿封孔。

圖3 大直徑頂板走向鉆孔封孔示意圖

2）大直徑采空區(qū)抽采鉆孔：采用袋裝聚氨酯封孔，鉆孔施工完畢后，鉆機(jī)及時(shí)向孔內(nèi)推入規(guī)格0.8×426mm 套管（全程下套管），封孔長度6 m，即在鉆孔開孔及終孔側(cè)各封3m，為了避免護(hù)管內(nèi)因碰撞晃動(dòng)而影響封孔質(zhì)量，降低抽采效果，向孔口處灌注水泥砂漿用以固定護(hù)管固定。封孔工藝見圖4。

圖4 大直徑采空區(qū)抽采鉆孔示意圖

3.3 抽采效果

采用上述“以孔代巷”思路布置的瓦斯抽采鉆孔后，對(duì)18502 工作面回采期間的瓦斯絕對(duì)涌出量、抽采量進(jìn)行了測(cè)算。兩巷本煤層瓦斯抽采量3.4 m3/min，底抽巷下鄰近層瓦斯抽采量3.25 m3/min，大直徑頂板走向孔抽采量11.98 m3/min，大直徑采空區(qū)抽采鉆孔抽采量2.62 m3/min，合計(jì)瓦斯抽采21.25 m3/min，工作面瓦斯抽采率70.25%，瓦斯抽采后風(fēng)排瓦斯量9 m3/min。工作面瓦斯?jié)舛冉档椭?.13%～0.22%，上隅角瓦斯?jié)舛冉档椭?.17%～0.38%，回風(fēng)流內(nèi)的瓦斯?jié)舛冉档椭?.21%～0.31%，瓦斯?jié)舛蕊@著降低，從根本上解決了瓦斯超限問題。

4 結(jié) 論

本文分析了馬蘭礦18502 工作面瓦斯抽采過程中存在的巷道抽采效果不佳、鉆孔布置不合理等問題，提出了利用大直徑頂板走向孔、大直徑采空區(qū)抽采鉆孔以及下鄰近層鉆孔代替現(xiàn)有抽采巷道的瓦斯抽采改進(jìn)方案，將工作面瓦斯?jié)舛冉档椭?.13%～0.22%，上隅角瓦斯?jié)舛冉档椭?.17%～0.38%，回風(fēng)流內(nèi)的瓦斯?jié)舛冉档椭?.21%～0.31%，避免了高成本巷道施工、鉆孔成孔效果差等現(xiàn)象，有效實(shí)現(xiàn)了瓦斯高效抽采，解決了工作面開采過程中的瓦斯超限問題。