复杂地质构造掘进工作面瓦斯治理技术研究

马跃华 张晓东 孙永康

（1.山西寿阳段王煤业集团有限公司，山西 晋中 045400；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110000）

瓦斯是严重威胁煤矿安全生产的重要因素之一，瓦斯事故每年都会造成大量的人员伤亡和财产损失。地质构造对地应力、瓦斯和煤岩物理力学性质有重要的影响，复杂的地质构造特别容易引起煤与瓦斯突出、瓦斯突然大量涌出等瓦斯灾害。对于煤与瓦斯突出事故，瓦斯压力是突出的主要动力，煤层的松软和破碎是突出的有利条件，采掘活动是突出的诱发原因，而地质构造是引起突出的关键因素。

1 矿井概况

段王煤矿150404工作面位于太原组中部，煤厚3.55～5.02m，平均4.40m，煤厚变化由西往东渐厚，不含夹石。顶板为砂质泥岩或泥岩，局部为粉砂岩或中、细砂岩，底板为中、细粒砂岩和泥岩，局部为砂质泥岩。15号煤层最大瓦斯含量为10.40m3/t，煤层透气性较差，有利于瓦斯储存。工作面巷道掘进过程中所遇到的地质构造为封闭型地质构造，不利于瓦斯的释放，在掘进过程中，发现多处岩石巷道接近、揭露断层时瓦斯涌出极不正常，对巷道施工构成极大的安全威胁。

2 瓦斯治理技术

2.1 迈步钻场钻孔抽采瓦斯

巷道掘进过程中，在两侧布置迈步钻场，扩大卸压松动圈范围，增加煤体透气性系数，抽放卸压瓦斯，拦截巷道周边煤体向掘进巷道释放瓦斯。钻孔还可以探测掘进面前方的地质构造，发现和掌握前方煤体瓦斯情况。如图1所示，同侧相邻钻场间距60m，钻孔超前掘进工作面不小于20m，在钻场中施工长度为80m的钻孔，钻孔孔径为Φ89mm，倾角与巷道轴向线倾角一致。

图1 瓦斯抽放迈步钻场

2.2 掘进工作面短抽短掘

由于段王煤矿150404工作面地质构造较多，煤层起伏较大，在巷道掘进工作面施工长钻孔往往会因为遇到地质构造或煤层顶底板而被迫停止，而且施工相同长度钻孔时长钻孔施工方法将浪费更长时间。为更有效地解决掘进过程的落煤瓦斯涌出，在掘进工作面采用短抽短掘的瓦斯治理方式，提前预抽工作面前方煤体中的瓦斯。

煤体的透气性系数 与围岩应力和瓦斯压力的差值呈负指数关系：

式中：

K0-回归系数；

β-回归系数；

σ-围岩应力，MPa；

p-瓦斯压力，MPa。

应用FLAC3D数值模拟软件对施工钻孔后周围煤体的应力变化进行模拟，如图2所示，掘进工作面前方煤体施工钻孔后，沿煤层水平方向形成了相连的水平应力卸压区，沿煤层垂直方向则形成了较大范围的垂直应力卸压区，围岩应力较瓦斯压力卸压更加明显，极好地增大了煤体的渗透率 ，将大大增加前方煤体的瓦斯抽放和释放效率。

短抽短掘的瓦斯治理措施中钻孔施工如图3所示，使用两台风动钻机于每天八点班在掘进工作面前方煤体内施工17个Φ75mm钻孔，平均孔深10m，边帮孔终孔位置位于巷道轮廓线外5m处。然后对钻孔进行封孔、并网，抽放约4h。每天三八制，剩余两班分别允许掘进4m，每天共计掘进8m。

根据现场实测数据显示，平均每孔瓦斯纯流量为0.088m3/min，掘进面每日抽放纯瓦斯量约为443m3，通过测量，抽放煤体的残余瓦斯量大都集中在6.4～7.2m3/t。短抽短掘的瓦斯治理措施弥补了迈步钻场钻孔和平行钻孔抽放方式的缺陷，明显减少掘进工作面前方煤体中的瓦斯，杜绝了巷道掘进过程中的瓦斯报警事故。

3 效果分析

段王煤矿150404工作面截止到2017年3月底共抽采瓦斯2.06×106m3，极大地减少了掘进工作面前方煤层中的瓦斯含量。采用局部预测预报的方法每隔10m对掘进工作面进行效果检验，钻屑瓦斯解吸指标均小于150Pa，钻孔最大钻屑量均小于4.0kg/m，瓦斯抽放取得了良好的效果。每个掘进工作面的掘进速度由先前的平均135m/月提高到现在的平均230m/月，极大地消除了瓦斯报警对巷道掘进的影响。

图2 钻孔周围煤体的应力分布

图3 短抽短掘钻孔布置

4 结论

通过迈步钻场抽采和掘进工作面短抽短掘瓦斯治理措施，对掘进工作面进行掘前预抽、边掘边抽，大大减小掘进过程中煤体瓦斯涌出量，保证巷道安全快速掘进。段王煤矿四采区巷道已经安全掘进超过1800m，瓦斯治理取得了良好效果。