屯兰矿12501 综采工作面瓦斯治理方案研究及应用

路永贵

（山西焦煤西山煤电集团有限公司屯兰矿，山西 古交 030206）

1 工程概况

山西焦煤集团西山煤电屯兰矿12501 工作面位于2#煤层南五盘区，工作面主采2#煤层。煤层厚度为1.47～5.22m，均厚3.28m，一般含 1～3 层夹矸，局部不含夹矸，煤层结构较简单，为全井田可采稳定煤层。煤层顶板多为砂质泥岩和细粒砂岩，底板岩层多为泥岩和砂质泥岩。12501 工作面采用“两进一回”的通风方式。具体工作面位置及通风方式如图1 所示。

根据矿井地质资料可知，2#煤层为瓦斯突出煤层，其中南五盘区的百米钻孔初始瓦斯流量为0.4～0.7m3/min·hm，最大瓦斯含量为20m3/t，瓦斯压力1.50MPa，瓦斯流量的衰减系数为0.288～0.373d-1，煤层的透气性系数为3.44～7.37m2/MPa2·d。基于上述数据可知，2#煤层抽采难易程度属于较难抽放与可以抽放煤层之间，工作面采用Y 型通风方式。为保障12501 工作面回采作业时不出现瓦斯超限现象，特进行合理瓦斯抽采方案的研究。

图1 12501 工作面位置及通风方式平面图

2 瓦斯治理方案

为有效抽采12501 综采工作面的瓦斯，结合工作面区域煤层瓦斯赋存的具体特征，确定工作面瓦斯防突方案为瓦斯综合治理+局部治理。

2.1 瓦斯综合治理方案

瓦斯综合治理抽采方案为地面钻井+工作面顺层钻孔递进掩护式预抽工作面瓦斯[1-2]，具体瓦斯抽采综合治理方案如下：

（1）地面钻井抽采。12501 工作面地面钻井抽采瓦斯时，抽采钻井布置在距轨道巷70m 的位置（沿工作面面长方向），抽采钻井直径为Φ300mm，间距为 300m，工作面区域共计布置3 个地面钻井。在回采工作面回采前持续进行抽采作业，持续抽采至工作面与某钻井距离为50m 时，停止该钻井的抽采。具体地面钻井布置形式如图2 所示。

图2 地面钻井布置平面图

（2）顺层钻孔递进掩护式预抽工作面瓦斯。顺层钻孔布置在进风顺槽和回风顺槽内，钻孔直径 Φ113mm，钻孔终孔位置位于下一个工作面顺槽15m 的深度，长度为195～200m，终孔间距为3m。钻孔采用聚氨酯封孔，封孔深度8m。顺层钻孔在工作面回采前进行煤层瓦斯的抽放作业。具体顺层钻孔布置形式如图3 所示。

图3 顺层钻孔递进掩护式预抽工作面瓦斯布置示意图

2.2 局部瓦斯治理方案

在12501 综采工作面正常回采过程中，为充分保障工作面区域无瓦斯超限现象出现，现拟通过钻屑瓦斯解吸指标 K1 和钻粉量指标 S 进行工作面剩余瓦斯含量的测定作业[3-4]。在采用钻孔指标法进行测定作业时其临界指标如表1。钻屑瓦斯解吸指标 K1 和钻粉量指标 S 通过预测钻孔进行测试，预测钻孔沿12501 工作面面长方向每隔 15m 布置一个，预测孔深 10m，孔径 Φ42mm。

当根据预测钻孔结果得出上述两项指标出现超限现象时，实施瓦斯局部治理措施，即采用超前排放钻孔进行瓦斯抽采。超前排放钻孔沿煤厚布置两排，第一排与第二排钻孔平行布置，且同排钻孔布置在同一断面上。第一排在距离底板0.5m 的位置处布置，第二排钻孔在距离底板1.5m的位置处布置，钻孔孔深10m，孔径 Φ75mm，钻孔间距 1.0m。具体超前排放钻孔布置方式见图4。

表1 钻屑指标法工作面突出危险性的参考临界值

图4 12501 工作面局部排放钻孔布置示意图

3 瓦斯治理效果分析

3.1 预抽瓦斯效果检验

为准确分析12501 工作面采前预抽效果，根据采煤工作面防突有关规定，工作面预抽煤体区域的预抽效果预测主要通过残余瓦斯压力和瓦斯含量进行分析。要获得煤层残余瓦斯含量和压力，应结合工作面预抽后的实际情况，进行现场试验测定得出[5-6]。

为分析顺层钻孔的瓦斯抽采效果，根据12501综采工作面顺层钻孔的瓦斯抽采情况，在顺层钻孔预抽区域布置瓦斯检测测试点，瓦斯抽采区域每40m 布置2 个残余瓦斯压力和残余瓦斯含量检验测试点。基于12501 综采工作面的具体特征，结合工作面防突规定，确定工作面预抽效果的检测临界值数据如表2。

表2 工作面区域煤层残余瓦斯压力与残余瓦斯含量效果检验临界值

3.2 效果分析

（1）地面钻井抽采效果

在地面钻井抽采期间，对各个钻井抽采的瓦斯浓度和瓦斯流量进行监测记录。现具体以1#和2#钻井进行分析。根据监测结果，能够得出工作面推进不同距离下地面钻井的抽采效果如图5 所示。

图5 地面钻井瓦斯抽采效果曲线图

分析图5 可知，12501 工作面1#钻井服务期间抽采的平均瓦斯浓度为43.0%，平均瓦斯流量为9.5m3/min；2#钻井服务期间抽采的平均瓦斯浓度为75.4%，平均瓦斯流量为12.7m3/min；另外结合抽采期间的监测结果知，1#钻井和2#钻井的瓦斯抽采总量分别为90 万m3和121 万m3。基于上述分析可知，地面钻井瓦斯抽采效果显著。

（2）顺层钻孔瓦斯抽采效果

通过分析12501 综采工作面顺层钻孔抽采效果瓦斯检测点监测结果，得出12501 工作面进风巷、回风巷瓦斯残余含量与工作面开切眼距离的关系曲线图如图6 所示。

通过具体分析图6 可知，工作面进风巷和回风巷残余瓦斯含量与距工作面距离之间无明显的关系，曲线基本呈现出波动的状态。分析图6（a）可知，进风巷侧距离工作面开切眼800～1200m 处，残余瓦斯的含量相对较低，基本在5.81～5.45m3/t，即该区域瓦斯抽采效果较好。分析图6（b）可知，回风巷距开切眼800～1200mm 的范围内，残余瓦斯含量一直呈现出波动的状态，但在距离工作面开切眼600～1100m 范围内残余瓦斯含量较低。

综合工作面回风巷和进风巷残余瓦斯含量的测定结果可知，进风巷和回风巷内在顺层钻孔瓦斯抽采后，最大残余瓦斯含量分别为5.97m3/t 和5.95m3/t，可吸解瓦斯含量的最大值为3.812m3/t。基于上述数据可知，工作面采前预抽后煤体剩余的瓦斯含量低于设定的临界值，顺层钻孔抽采有效地降低了工作面区域煤体的瓦斯含量，故可判定12501 工作面顺层钻孔的瓦斯抽采效果达标。

图6 12501 工作面顺层钻孔抽采后残余瓦斯含量曲线图

（3）回采期间瓦斯含量分析

在12501 综采工作面回采期间，为对瓦斯局部治理措施的效果进行分析，通过在工作面回风巷内布置瓦斯监测站的方式，进行回采过程中瓦斯含量的长期监测作业。根据监测结果能够得出回风巷内的瓦斯含量曲线，具体如图7 所示。

图7 工作面回采期间回风巷瓦斯浓度变化曲线

通过具体分析图7 可知，在工作面回采期间，回风巷内的最大瓦斯浓度基本均保持在0.08%～0.54%，回风巷内平均瓦斯浓度的最大值为0.35%，低于标准规定的0.6%，能够充分保障工作面回采期间不会出现瓦斯超限现象，保障了工作面的安全回采。

4 结论

根据12501 综采工作面的瓦斯赋存特征，确定工作面的瓦斯防突方案为综合治理+局部治理。综合治理为地面钻井+工作面顺层钻孔抽采，局部治理措施为超前排放钻孔瓦斯抽采。基于工作面的具体数据，进行综合治理和局部瓦斯治理措施的具体参数设计，在采前预抽后和工作面回采过程中，分别进行瓦斯抽采效果的监测分析作业。根据监测分析结果得出，采前瓦斯抽采后工作面区域最大残余瓦斯含量为5.97m3/t，工作面回采过程中未出现瓦斯超限现象，保障了工作面的安全回采。