马兰矿12504综采工作面瓦斯综合治理技术应用

李晓斌

(山西西山煤电股份有限公司 马兰矿，山西 古交 030205)

1 工程概况

山西焦煤西山煤电集团公司马兰矿12504工作面井下位于南五采区，工作面走向长度1 340 m，倾斜长度为211 m，开采2号煤层，煤层厚度为2.68～3.57 m，平均厚度3.26 m，煤层内平均含有1层夹矸，夹矸层平均厚度为0.17 m。根据矿井地质资料可知，12504工作面的绝对瓦斯涌出量为23.73 m3/min，煤尘爆炸指数为25.34%，属于Ⅱ类自燃煤层，工作面采用一次采全高综合机械化开采方法，跟底开采，循环进度0.6 m。12504工作面采用“U”型通风系统，为解决12504工作面瓦斯含量高的问题，特进行瓦斯综合治理技术的研究。

2 瓦斯治理方案

根据12504工作面的地质资料，结合矿井的生产经验可知，工作面回采过程中瓦斯主要来源于本煤层，其中采空区瓦斯的涌出量占到很大的比例，综合国内外众多瓦斯抽采的理论和实践研究结果[1-3]，综合确定工作面瓦斯抽采方案采用高位钻孔+采空区埋管抽采的方式，具体抽采措施参数设置如下：

2.1 高位钻孔抽采参数设计

根据12504工作面的开采特征及顶底板岩层条件，计算得出顶板垮落带平均高度为16.23 m，裂隙带的平均高度为53.28 m，在进行高位钻孔参数设置时，主要需考虑到压茬长度、钻孔在倾斜方向的控制范围和走向布置方式等，具体参数设计如下：

1) 钻孔压茬长度确定：在进行高位钻孔布置时，一般均将钻孔末段及终孔位置布置于顶板破断面内，根据相关研究可知[4]，钻孔压茬长度可通过图1所示进行计算。图中a为抽采盲区长度，b为最小压茬长度，h为钻孔的终孔位置距离煤层的高度，α为顶板垮落角，具体钻孔最小压茬长度的计算方式如图1所示。

图1 高位钻孔最小压茬长度计算示意

结合矿井资料，取α=56°，a=5 m。通过计算能够得出工作面压茬长度的最小值和最大值分别为37 m和45 m，在一定程度上考虑顶板岩性变化导致的顶板垮落角的变化情况，故而在进行压茬长度设计时，在最小压茬长度上要留有一定的富裕系数，结合工作面特征最终确定取压茬长度为41 m。

2) 高位钻孔在工作面倾斜方向的控制范围：基于长壁工作面采动影响下离层发育特征的“O”型圈理论，高位钻孔在工作面倾斜方向上的控制范围距回风巷最大距离应为工作面长度的三分之一[5-6]，钻孔在倾斜方向的终孔位置距风巷的水平距离应小于33 m，12504工作面的顶板走向和倾向垮落角基本均为56°，进一步考虑到煤层倾角和厚度的变化，确定高位钻孔与风巷水平距离c的计算见式(1)：

(1)

式中：θ为工作面走向顶板垮落角；β为工作面倾斜顶板垮落角；h为钻孔控制高度；d为钻孔距煤层顶板岩层的距离。当钻孔控制高度分别为h=40 m和h=20 m时，计算得出平距值分别为24.12 m和12.06 m。

3) 顶板走向高位钻孔布置：在12504工作面回风巷内，每间隔80 m垂直于回风巷布置1条坡度为30°的上山，待掘进到煤层顶板后，再沿顶板施工5 m作为钻场平巷，钻场尺寸为长×宽×高=5 m×4 m×3 m。在进行钻场布置时，1号钻场内施工10个钻孔，钻孔分上下两排布置，每排布置5个钻孔，钻孔布置形式呈扇形，钻孔孔径为94 mm，孔距为0.4 m，高位钻孔终孔间距为6 m，控制工作面斜长约为35 m，钻孔采用添加5%左右膨胀剂的水泥砂浆封孔，封孔方式为两堵一注，具体钻孔参数如表1所示，钻孔布置形式如图2所示。

表1 高位钻孔参数

图2 高位钻孔布置示意(m)

2.2 采空区埋管抽采设计

在工作面回风巷内，沿着工作面上帮底板铺设1趟瓦斯抽采管路，在距离工作面开切眼40 m的位置处，通过设置弯管以提升瓦斯抽采管路，在接近巷道顶部的位置处，通过假设三通分叉，实现将一趟管路变成两趟抽采支管，抽采管路管口相距约为10～15 m，将1号和2号抽采支管分别布置在距采空区深度为10 m和15 m的位置处[7]，在工作面抽采系统形成后即可开始1号抽采管的抽采，当工作面回采至2号抽采管的位置处，关闭1号瓦斯抽采阀门，开启2号抽采管进行抽采作业。在采空区内的两趟抽采支管在采空区内的深度须保持在15 m和10 m的位置处，随着工作面回采作业的进行，如此循环，实现抽采管路不间断抽采采空区和上隅角瓦斯的目的。具体采空区埋管抽采布置形式如图3所示。

图3 采空区埋管抽采示意

3 瓦斯治理效果分析

12504工作面瓦斯治理方案实施期间，通过对高位钻孔抽采数据的监测，能够得出随着工作面回采作业的进行，高位钻孔在抽采期间抽采瓦斯的混合流量、抽采瓦斯浓度和纯量的变化曲线，现具体以1号钻场抽采期间的抽采数据进行分析，具体曲线如图5所示。

分析图4可知，1号钻场在瓦斯抽采期间，钻场内抽采主管路抽采流量均在32.99～54.92 m3/min的范围内，抽采主管路内的瓦斯抽采最大浓度为3.57%，平均瓦斯抽采浓度为2.64%，在1号钻场抽采期间，其实现了有效抽采瓦斯52 385.92 m3。

图4 1号钻场瓦斯抽采参数变化

另外，根据1号钻场抽采期间的数据能够得出钻场在工作面回采推进不同距离时钻孔的瓦斯抽采率变化曲线，如图5所示。

图5 瓦斯抽采率变化曲线

分析图5可知，在12504工作面回采期间，高位钻孔的瓦斯抽采率基本均在20%以上，在工作面回采推进380～400 m时，出现瓦斯抽采率降低至20%以下的现象。产生这种现象的主要原因为随着回采作业进行，钻孔的终孔高度不断降低，进而导致高位钻孔抽采采空区的瓦斯量逐渐减弱；另外在工作面回采推进至346 m时，高位钻孔的瓦斯抽采率达到最大值，抽采率达到51.8%，根据1号钻孔服务时间内的瓦斯抽采浓度分析，计算得出1号钻场的平均瓦斯抽采率为30.4%。

12504工作面回采期间，采用现场测试记录的方式进行工作面回风流和上隅角瓦斯浓度的分析，根据分析结果得出工作面上隅角和回风流中瓦斯浓度变化曲线，如图6所示。

图6 工作面上隅角及回风流瓦斯浓度曲线

分析图6可知，工作面在回采推进249 m时，开始埋管抽采作业，在工作面采用高位钻孔期间，工作面回风流中的最大瓦斯浓度由0.88%降低至0.68%，相较于工作面仅采用埋管抽采时，瓦斯浓度降幅为22.7%，上隅角的平均瓦斯浓度由0.2%～0.5%降低至0.18%～0.4%，工作面上隅角的最大瓦斯浓度由1.4%降低至0.86%，降幅达到38.6%.另外从图中能够看出，工作面采用上述抽采方案后，有效降低了工作面上隅角和回风巷内的瓦斯浓度，回采期间内未发生瓦斯超限现象，有效解决了瓦斯含量高的问题。

4 结 语

根据12504工作面煤层赋存及开采条件，确定工作面采用高位钻孔+采空区埋管抽采相结合的瓦斯治理方案，基于高位钻孔设计原则进行钻孔压茬长度、钻孔在工作面倾斜方向的控制范围、顶板走向高位钻孔布置参数的设计，并对采空区埋管抽采参数进行设计，瓦斯抽采方案实施后有效解决了工作面瓦斯含量高的问题。