馬蘭礦10706工作面瓦斯綜合防治研究

商建龍

(西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 古交 030505)

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馬蘭礦10706工作面瓦斯綜合防治研究

商建龍

(西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 古交 030505)

以馬蘭礦10706工作面為研究對象，在對研究區(qū)煤層特征、瓦斯特征、構(gòu)造特征、通風特征進行分析的基礎上，進行了突出危險性預測。根據(jù)預測結(jié)果及工作面實際情況，制定了與工作面相匹配的綜合瓦斯防治措施，并建立了抽采措施檢驗與驗證方法。形成了一套集危險性預測、防治措施、效果檢驗與驗證為一體的瓦斯綜合防治方法，這對實現(xiàn)瓦斯的高效抽采具有重要的意義。

瓦斯；突出危險性；工作面抽采；檢驗；驗證

瓦斯是一種與煤炭共生共存的可流動性氣體。在原始狀態(tài)下其主要以吸附態(tài)、游離態(tài)賦存在煤巖體內(nèi)部的孔裂隙中。當煤巖體受到采掘活動的影響時，瓦斯原有的平衡狀態(tài)會被打破，吸附態(tài)的瓦斯向游離態(tài)轉(zhuǎn)變，并由壓力高的區(qū)域向壓力低的區(qū)域流動，最終形成新的平衡。由于瓦斯的存在對煤礦的安全高效生產(chǎn)造成了極大的威脅，因此，諸多學者從瓦斯的賦存、運移角度出發(fā)，研究了多種瓦斯抽采方法，進行瓦斯的有效抽采。其中一些學者[1-4]以瓦斯賦存地質(zhì)控制理論為基礎，分析了影響瓦斯賦存的主控因素，得出了原始狀態(tài)下瓦斯的賦存規(guī)律，設計了地面抽采井、順層鉆孔、穿層鉆孔等抽采方式，對瓦斯富集區(qū)進行有針對性的瓦斯抽采；一些學者[5-8]以“O”型圈理論為基礎，分析了采掘活動對煤巖孔裂隙發(fā)育的影響，得出了煤巖體滲透性分布規(guī)律，結(jié)合氣體運移規(guī)律，提出了頂板高抽巷、裂隙帶高位鉆場等抽采方法對游離態(tài)瓦斯聚集區(qū)進行抽采；一些學者[9-12]在對采空區(qū)瓦斯涌出情況進行分析的基礎上，結(jié)合通風情況，對采空區(qū)及上隅角瓦斯運移、富集規(guī)律進行了分析，提出了采空區(qū)埋管抽放、上隅角懸管抽放等瓦斯抽采措施，對采掘后游離態(tài)的瓦斯進行抽采。這些抽采方案對有效降低瓦斯?jié)舛?，實現(xiàn)煤礦的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。但是，由于我國地質(zhì)條件的復雜性，造成瓦斯賦存、運移的主控因素千差萬別。對于同一礦區(qū)，甚至同一礦井的不同工作面瓦斯賦存、運移規(guī)律也不一樣，而制定與瓦斯賦存、運移規(guī)律相匹配的抽采措施又是實現(xiàn)高效抽采的基礎。綜上所述，為了實現(xiàn)對馬蘭礦10706工作面瓦斯的快速抽采，本文以該工作面為研究對象，制定了瓦斯綜合防治措施，以期實現(xiàn)瓦斯的快速抽采，實現(xiàn)煤礦的安全、高效生產(chǎn)。

1 研究區(qū)概況

1.1 馬蘭礦地質(zhì)概況

馬蘭井田位于呂梁山背斜東翼，太原西山煤田構(gòu)造盆地的西北邊緣部位，地形一般西南高東北低，地層傾角也表現(xiàn)為西陡東緩，具有明顯的煤田盆地邊緣構(gòu)造特征。全井田主要構(gòu)造形態(tài)總體上可分為南北兩部分。北部為馬蘭向斜所控制，地層走向近南北，向南走向轉(zhuǎn)為南東，地層產(chǎn)狀也隨之發(fā)生變化。西南部因受狐偃山火成巖穹隆構(gòu)造的影響，地層走向轉(zhuǎn)為南東東，主要受北社—常安向斜所控制?，F(xiàn)采區(qū)和后備區(qū)煤層傾角大部分區(qū)域為3°～12°，南六、南七采區(qū)西翼靠近井田邊緣煤層傾角達35°；下水平煤層傾角大部分區(qū)域為3°～10°，其西翼越接近馬蘭向斜軸部傾角越大，可達30°，井田大部分區(qū)域?qū)俳胶途弮A斜煤層。井田內(nèi)斷層較發(fā)育，但影響采區(qū)劃分的大斷層較少。

1.2 10706工作面瓦斯地質(zhì)特征

1.2.1 工作面煤層及回采特征

該工作面主采煤層為02煤層，該煤層一般位于K4砂巖之下5～10m，除25、452、531、532、M49五個孔附近不可采外，全井田可采。煤層最大厚度2.69m，最小厚度0.39m，全井田平均1.38m，屬薄-中厚煤層，大多無夾石，有時含1～2層夾石，頂?shù)装宥酁槟鄮r及粉砂巖。

工作面標高為+894～+965m，蓋山厚度370～505m，平均厚度456m，切眼東北側(cè)最小間隔37m10313、10315采空區(qū)及空巷，軌道巷Ⅰ段、軌道巷Ⅱ段西北側(cè)最小間隔24m分別為10704、10702采空區(qū)及空巷，其他方位暫無工程。其鄰近工作面10704工作面走向長為430m，其中430～150m為瓦斯涌出量最大區(qū)段，最大絕對瓦斯涌出量11.2m3/min(其中風排瓦斯涌出量4.3m3/min，本煤層抽采1.3m3/min，上隅角埋管抽采2.5m3/min，鉆場抽采3.1m3/min). 10706工作面設計可采走向長961m，傾斜長144/214m，煤層厚度2.2m，可采儲量39.4萬t，計劃日產(chǎn)量2 500t.

1.2.2 工作面瓦斯涌出特征

通過對工作面上臨近層、下臨近層以及圍巖等涌出源瓦斯涌出情況進行分析，并結(jié)合臨近已采區(qū)瓦斯涌出情況，認為工作面瓦斯涌出的主要來源包括本煤層瓦斯涌出和臨近層瓦斯涌出兩個涌出源。因此，可以采用分源預測法分別對兩個涌出源的涌出量進行計算。

根據(jù)瓦斯涌出量分源預測方法，結(jié)合研究區(qū)實際，進行不同涌出源瓦斯涌出量的計算，其中開采層瓦斯涌出量計算，可以采用式(1)：

式中：

q1—開采層瓦斯涌出量，m3/t；

k1—圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取1.30；

k2—考慮工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)；

k3—準備巷道預排瓦斯對工作面煤體瓦斯涌出影響系數(shù)，取0.86；

m—開采層厚度，m；

M—工作面采高，m；

W0—煤層瓦斯含量，m3/t；

Wc—煤的殘存瓦斯含量，m3/t.

對于臨近層瓦斯涌出量的計算，可以采用式(2)：

式中：

q2—鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t；

mi—第i個鄰近層厚度，m；

M—工作面采高，m；

W0i—第i層的瓦斯含量，m3/t；

Wci—第i鄰近層殘存瓦斯含量，m3/t；

ηi—第i鄰近層瓦斯排放系數(shù)，取決于層間距離。

其中，臨近層瓦斯排放系數(shù)可以通過圖1求得：

1—上鄰近層 2—緩傾斜煤層下鄰近層 3—傾斜、急傾斜煤層下鄰近層圖1 鄰近層的瓦斯排放系數(shù)與層間距的關系曲線圖

采用分源計算方法，根據(jù)公式(1)(2)計算得出：預計10706工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為10.6 m3/min，相對瓦斯涌出量6.11 m3/t，其中本煤層瓦斯涌出量6.92 m3/min，占瓦斯涌出總量的65.3%，下鄰近層瓦斯涌出量3.68 m3/min，占瓦斯涌出總量的34.7%.

1.2.3 工作面通風情況

根據(jù)工作面布置及通風設計，該工作面采用“U”型通風方式，即軌道巷進風，皮帶巷出風，具體通風路徑為：新鮮風流：地面→南二進風立井→910南大巷→東二運輸大巷→南七02#煤左翼集中軌道巷→10706軌道巷→工作面；污風風流：工作面→10706皮帶巷→10706回風聯(lián)巷→東二回風大巷→950回風巷→南二回風立井→地面。具體布置示意圖見圖2.

圖2 10706工作面通風路線圖

2 工作面突出危險性預測方法

根據(jù)突出規(guī)定，突出危險性預測只能由具有煤與瓦斯突出危險性鑒定資質(zhì)的單位進行。根據(jù)《馬蘭礦02#煤層突出危險性鑒定報告》及《馬蘭礦02#煤層煤與瓦斯突出危險性區(qū)域預測報告》結(jié)論顯示，02#煤層為突出煤層，煤層底板標高低于+939.5 m的區(qū)域為突出危險區(qū)域。10706工作面位于南七采區(qū)主采的02#煤層中，10706工作面02#煤底板標高為+894～+965 m，則10706工作面軌道巷里程189 m、皮帶巷里程260 m以內(nèi)為無突出危險區(qū)，其余區(qū)域及切眼所在區(qū)域為突出危險區(qū)。

3 工作面瓦斯綜合防治措施

在對工作面煤層、瓦斯賦存特征、地質(zhì)構(gòu)造特征、通風情況及瓦斯涌出情況進行分析的基礎上，結(jié)合研究區(qū)回采計劃，制定了工作面“風排+抽采”的綜合瓦斯治理措施，其中風排瓦斯量為3.8 m3/min，抽采瓦斯量為6.8 m3/min，工作面抽采率64.15%. 主要抽采措施有：本煤層順層鉆孔+鉆場裂隙帶+上隅角懸管抽采。預計回采期間本煤層抽采量2.0 m3/min，鉆場裂隙帶鉆孔抽采量3.6 m3/min，上隅角懸管抽采量1.2 m3/min.

3.1 本煤層鉆孔

在對煤層滲透性進行考察的基礎上，在現(xiàn)場進行了影響半徑測試。根據(jù)影響半徑測試結(jié)果，結(jié)合煤層厚度、工作面布置及瓦斯分布情況，制定了本煤層鉆孔瓦斯抽采措施，具體如下：在工作面皮帶巷里程113～1 013 m段每隔5 m施工一個本煤層鉆孔，共施工鉆孔181個,其中113～768 m段孔深120 m，其余段孔深190 m. 鉆孔均垂直于軌道巷施工，開孔距巷道底板1.3～1.5 m，孔徑113 mm. 其中，鉆孔具體布置見圖3.

圖3 本煤層鉆孔布置示意圖

3.2 鉆場裂隙帶鉆孔

為了充分利用采動裂隙對煤層透氣性帶來的有利影響，設計了鉆場裂隙帶鉆孔。根據(jù)裂隙帶的分布規(guī)律、滲透性變化情況以及瓦斯運移規(guī)律，對鉆場裂隙帶鉆孔進行了優(yōu)化設計：從工作面皮帶巷里程124 m開始，每隔50 m施工1個鉆場，共施工鉆場18個(1#～18#)，其中1#鉆場距切眼45 m，每個鉆場內(nèi)施工10個頂板裂隙帶鉆孔，鉆孔朝切眼方向呈扇形布置。1#～10#鉆孔終孔距皮帶巷巷幫分別為：8 m、16 m、24 m、32 m、40 m、48 m、56 m、64 m、72 m、80 m；終孔垂高分別為：5、6、7、8、9、10、11、11、12、12倍采高。1#鉆場孔深50 m，其余鉆場孔深均為90 m(此處孔深指鉆孔沿巷道方向投影長度),兩鉆場間鉆孔水平搭接40 m；開孔、終孔孔徑均為113 mm. 其中，鉆場及鉆孔具體布置見圖4.

圖4 鉆場裂隙帶鉆孔布置示意圖

3.3 上隅角懸管抽采

由于通風方式的影響，在上隅角處風流發(fā)生轉(zhuǎn)向，該區(qū)處于渦流狀態(tài)，瓦斯難以隨風流流動。同時，由于壓差作用，也會引起此處風流紊亂。因此，該處容易成為瓦斯集聚區(qū)。結(jié)合該工作面的實際情況，對于該工作面上隅角瓦斯，采用懸管法進行抽采，選用地面低濃抽采系統(tǒng)抽采。

4 工作面抽采效果檢驗與驗證

4.1 工作面抽采效果檢驗

在預抽鉆孔分布符合設計要求的情況下，且工作面預抽時間達到6個月以上，預抽率達到35%后，采用直接測定煤層殘余瓦斯含量的方法進行工作面抽采措施效果檢驗。

10610工作面切眼長度>120 m，檢驗測點沿回采工作面走向推進方向每隔30～50 m布置2個，檢驗測試點應布置于所在部位鉆孔密度較小、孔間距較大、預抽時間較短的位置，并盡可能遠離測試點周圍的各預抽鉆孔或與周圍預抽鉆孔保持等距離，且避開采掘巷道的排放范圍和工作面的預抽超前距。在地質(zhì)構(gòu)造復雜區(qū)域適當增加檢驗測試點。工作面抽采效果檢驗鉆孔示意圖見圖5.

圖5 工作面抽采效果檢驗鉆孔示意圖

當煤層殘余瓦斯含量<8 m3/t且鉆孔施工期間無噴孔頂鉆等異常現(xiàn)象時，工作面防突措施有效，該區(qū)域為無突出危險區(qū)；當煤層殘余瓦斯含量≥8 m3/t或進行鉆孔作業(yè)時發(fā)生了噴孔、頂鉆及其他明顯預兆時，該測點位置周圍半徑100 m內(nèi)的區(qū)域措施無效，該區(qū)域仍為突出危險區(qū)。

經(jīng)檢驗仍為突出危險區(qū)的區(qū)域，必須延長預抽時間或加強防突措施，并再次進行抽采措施效果檢驗，直至經(jīng)檢驗無突出危險后，方可進行抽采效果驗證。

4.2 工作面抽采效果驗證

實施工作面瓦斯抽采措施后經(jīng)效果檢驗為無突出危險的區(qū)域，采用鉆屑解吸指標法進行回采工作面瓦斯抽采效果驗證，具體方法為：在采煤工作面切眼每隔15 m施工1個直徑42 mm、孔深10 m的鉆孔，鉆孔每鉆進1 m測定其鉆屑量S值，每鉆進2 m測定瓦斯解吸指標K1值。鉆孔盡量布置在軟分層中，且平行于推進方向。要求在工作面首次進入該區(qū)域時，連續(xù)進行至少兩次驗證，工作面每推進10～50 m進行兩次驗證，在構(gòu)造破壞帶連續(xù)進行驗證。經(jīng)驗證無突出危險性時，在采取安全防護措施的條件下進行回采作業(yè)；當有一次驗證為突出危險或鉆孔施工期間發(fā)生突出預兆時，該區(qū)域以后的回采作業(yè)均執(zhí)行局部綜合防突措施，驗證鉆孔布置方式見圖6，其中鉆屑指標臨界值見表1.

圖6 區(qū)域驗證孔布置示意圖

表1 鉆屑指標法預測工作面突出危險性指標臨界值表

5 結(jié) 論

通過對馬蘭礦10706工作面瓦斯防治措施進行分析研究得出如下結(jié)論：

1) 結(jié)合研究區(qū)實際形成了一套包含突出危險性預測、防治措施、效果檢驗與驗證為一體的工作面瓦斯綜合防治方法，為臨近區(qū)瓦斯防治提供了一種思路。

2) 根據(jù)地質(zhì)特征、煤儲層特征、瓦斯特征設計了適合于10706工作面的本煤層瓦斯抽采、鉆場裂隙帶鉆孔、上隅角瓦斯抽采的綜合抽采方法。

3) 工作面瓦斯抽采措施具有較強的適用條件，在設計抽采方法時必須結(jié)合研究區(qū)的實際特征，找到與之相匹配的抽采措施。

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Study on Comprehensive Prevention and Control of Gas in 10706 Working Face of Malan Coal Mine

SHANG Jianlong

Based on the analysis of coal seam characteristics, gas characteristics, structural characteristics and ventilation characteristics in No.10706 work face in Malan coal mine, the risk of gas outburst was analyzed. An integrated gas control measures are established according the forecast and the on site condition in the working face, which are matched with the working face, and the method of testing and verifying were also established. The set of the measures including risk prediction and risk prevention are of great significance for high efficient drainage.

Gas; Risk of gas outburst; Gas drainage in work face; Test; Verification

2017-02-18

商建龍(1983—)，男，河北涿州人，2017年畢業(yè)于重慶大學(成人教育)，主要從事礦井通風與安全生產(chǎn)工作

(E-mail)13838910327@163.com

TD712+

B

1672-0652(2017)04-0007-05