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(duì)象，在對(duì)研究區(qū)煤層特征、瓦斯特征、構(gòu)造特征、通風(fēng)特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果及工作面實(shí)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(yàn)與驗(yàn)證方法。形成了一套集危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、防治措施、效果檢驗(yàn)與驗(yàn)證為一體的瓦斯綜合防治方法，這對(duì)實(shí)現(xiàn)瓦斯的高效抽采具有重要的意義。

瓦斯；突出危險(xiǎn)性；工作面抽采；檢驗(yàn)；驗(yàn)證

瓦斯是一種與煤炭共生共存的可流動(dòng)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(dāng)煤巖體受到采掘活動(dòng)的影響時(shí)，瓦斯原有的平衡狀態(tài)會(huì)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(dòng)，最終形成新的平衡。由于瓦斯的存在對(duì)煤礦的安全高效生產(chǎn)造成了極大的威脅，因此，諸多學(xué)者從瓦斯的賦存、運(yùn)移角度出發(fā)，研究了多種瓦斯抽采方法，進(jìn)行瓦斯的有效抽采。其中一些學(xué)者[1-4]以瓦斯賦存地質(zhì)控制理論為基礎(chǔ)，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(shè)計(jì)了地面抽采井、順層鉆孔、穿層鉆孔等抽采方式，對(duì)瓦斯富集區(qū)進(jìn)行有針對(duì)性的瓦斯抽采；一些學(xué)者[5-8]以“O”型圈理論為基礎(chǔ)，分析了采掘活動(dòng)對(duì)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(yùn)移規(guī)律，提出了頂板高抽巷、裂隙帶高位鉆場(chǎng)等抽采方法對(duì)游離態(tài)瓦斯聚集區(qū)進(jìn)行抽采；一些學(xué)者[9-12]在對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合通風(fēng)情況，對(duì)采空區(qū)及上隅角瓦斯運(yùn)移、富集規(guī)律進(jìn)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(duì)采掘后游離態(tài)的瓦斯進(jìn)行抽采。這些抽采方案對(duì)有效降低瓦斯?jié)舛?，?shí)現(xiàn)煤礦的安全高效生產(chǎn)具有重要意義。但是，由于我國(guó)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，造成瓦斯賦存、運(yùn)移的主控因素千差萬別。對(duì)于同一礦區(qū)，甚至同一礦井的不同工作面瓦斯賦存、運(yùn)移規(guī)律也不一樣，而制定與瓦斯賦存、運(yùn)移規(guī)律相匹配的抽采措施又是實(shí)現(xiàn)高效抽采的基礎(chǔ)。綜上所述，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)象，制定了瓦斯綜合防治措施，以期實(shí)現(xiàn)瓦斯的快速抽采，實(shí)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?yàn)?°～12°，南六、南七采區(qū)西翼靠近井田邊緣煤層傾角達(dá)35°；下水平煤層傾角大部分區(qū)域?yàn)?°～10°，其西翼越接近馬蘭向斜軸部?jī)A角越大，可達(dá)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(gè)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(shí)含1～2層夾石，頂?shù)装宥酁槟鄮r及粉砂巖。

工作面標(biāo)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(zhǎng)為430m，其中430～150m為瓦斯涌出量最大區(qū)段，最大絕對(duì)瓦斯涌出量11.2m3/min(其中風(fēng)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(chǎng)抽采3.1m3/min). 10706工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)961m，傾斜長(zhǎng)144/214m，煤層厚度2.2m，可采儲(chǔ)量39.4萬t，計(jì)劃日產(chǎn)量2 500t.

1.2.2 工作面瓦斯涌出特征

通過對(duì)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(jìn)行分析，并結(jié)合臨近已采區(qū)瓦斯涌出情況，認(rèn)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(gè)涌出源。因此，可以采用分源預(yù)測(cè)法分別對(duì)兩個(gè)涌出源的涌出量進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)瓦斯涌出量分源預(yù)測(cè)方法，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際，進(jìn)行不同涌出源瓦斯涌出量的計(jì)算，其中開采層瓦斯涌出量計(jì)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(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)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(duì)于臨近層瓦斯涌出量的計(jì)算，可以采用式(2)：

式中：

q2—鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；

mi—第i個(gè)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(guān)系曲線圖

采用分源計(jì)算方法，根據(jù)公式(1)(2)計(jì)算得出：預(yù)計(jì)10706工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量為10.6 m3/min，相對(duì)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(fēng)情況

根據(jù)工作面布置及通風(fēng)設(shè)計(jì)，該工作面采用“U”型通風(fēng)方式，即軌道巷進(jìn)風(fēng)，皮帶巷出風(fēng)，具體通風(fēng)路徑為：新鮮風(fēng)流：地面→南二進(jìn)風(fēng)立井→910南大巷→東二運(yùn)輸大巷→南七02#煤左翼集中軌道巷→10706軌道巷→工作面；污風(fēng)風(fēng)流：工作面→10706皮帶巷→10706回風(fēng)聯(lián)巷→東二回風(fēng)大巷→950回風(fēng)巷→南二回風(fēng)立井→地面。具體布置示意圖見圖2.

圖2 10706工作面通風(fēng)路線圖

2 工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)方法

根據(jù)突出規(guī)定，突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)只能由具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定資質(zhì)的單位進(jìn)行。根據(jù)《馬蘭礦02#煤層突出危險(xiǎn)性鑒定報(bào)告》及《馬蘭礦02#煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性區(qū)域預(yù)測(cè)報(bào)告》結(jié)論顯示，02#煤層為突出煤層，煤層底板標(biāo)高低于+939.5 m的區(qū)域?yàn)橥怀鑫ｋU(xiǎn)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(biāo)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(xiǎn)區(qū)，其余區(qū)域及切眼所在區(qū)域?yàn)橥怀鑫ｋU(xiǎn)區(qū)。

3 工作面瓦斯綜合防治措施

在對(duì)工作面煤層、瓦斯賦存特征、地質(zhì)構(gòu)造特征、通風(fēng)情況及瓦斯涌出情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)回采計(jì)劃，制定了工作面“風(fēng)排+抽采”的綜合瓦斯治理措施，其中風(fēng)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(chǎng)裂隙帶+上隅角懸管抽采。預(yù)計(jì)回采期間本煤層抽采量2.0 m3/min，鉆場(chǎng)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(duì)煤層滲透性進(jìn)行考察的基礎(chǔ)上，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了影響半徑測(cè)試。根據(jù)影響半徑測(cè)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(gè)本煤層鉆孔，共施工鉆孔181個(gè),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(chǎng)裂隙帶鉆孔

為了充分利用采動(dòng)裂隙對(duì)煤層透氣性帶來的有利影響，設(shè)計(jì)了鉆場(chǎng)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(yùn)移規(guī)律，對(duì)鉆場(chǎng)裂隙帶鉆孔進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：從工作面皮帶巷里程124 m開始，每隔50 m施工1個(gè)鉆場(chǎng)，共施工鉆場(chǎng)18個(gè)(1#～18#)，其中1#鉆場(chǎng)距切眼45 m，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)施工10個(gè)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(chǎng)孔深50 m，其余鉆場(chǎng)孔深均為90 m(此處孔深指鉆孔沿巷道方向投影長(zhǎng)度),兩鉆場(chǎng)間鉆孔水平搭接40 m；開孔、終孔孔徑均為113 mm. 其中，鉆場(chǎng)及鉆孔具體布置見圖4.

圖4 鉆場(chǎng)裂隙帶鉆孔布置示意圖

3.3 上隅角懸管抽采

由于通風(fēng)方式的影響，在上隅角處風(fēng)流發(fā)生轉(zhuǎn)向，該區(qū)處于渦流狀態(tài)，瓦斯難以隨風(fēng)流流動(dòng)。同時(shí)，由于壓差作用，也會(huì)引起此處風(fēng)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(shí)際情況，對(duì)于該工作面上隅角瓦斯，采用懸管法進(jìn)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(yàn)與驗(yàn)證

4.1 工作面抽采效果檢驗(yàn)

在預(yù)抽鉆孔分布符合設(shè)計(jì)要求的情況下，且工作面預(yù)抽時(shí)間達(dá)到6個(gè)月以上，預(yù)抽率達(dá)到35%后，采用直接測(cè)定煤層殘余瓦斯含量的方法進(jìn)行工作面抽采措施效果檢驗(yàn)。

10610工作面切眼長(zhǎng)度>120 m，檢驗(yàn)測(cè)點(diǎn)沿回采工作面走向推進(jìn)方向每隔30～50 m布置2個(gè)，檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)應(yīng)布置于所在部位鉆孔密度較小、孔間距較大、預(yù)抽時(shí)間較短的位置，并盡可能遠(yuǎn)離測(cè)試點(diǎn)周圍的各預(yù)抽鉆孔或與周圍預(yù)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(yù)抽超前距。在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域適當(dāng)增加檢驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)。工作面抽采效果檢驗(yàn)鉆孔示意圖見圖5.

圖5 工作面抽采效果檢驗(yàn)鉆孔示意圖

當(dāng)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?，F(xiàn)象時(shí)，工作面防突措施有效，該區(qū)域?yàn)闊o突出危險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)煤層殘余瓦斯含量≥8 m3/t或進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)發(fā)生了噴孔、頂鉆及其他明顯預(yù)兆時(shí)，該測(cè)點(diǎn)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(xiǎn)區(qū)。

經(jīng)檢驗(yàn)仍為突出危險(xiǎn)區(qū)的區(qū)域，必須延長(zhǎng)預(yù)抽時(shí)間或加強(qiáng)防突措施，并再次進(jìn)行抽采措施效果檢驗(yàn)，直至經(jīng)檢驗(yàn)無突出危險(xiǎn)后，方可進(jìn)行抽采效果驗(yàn)證。

4.2 工作面抽采效果驗(yàn)證

實(shí)施工作面瓦斯抽采措施后經(jīng)效果檢驗(yàn)為無突出危險(xiǎn)的區(qū)域，采用鉆屑解吸指標(biāo)法進(jìn)行回采工作面瓦斯抽采效果驗(yàn)證，具體方法為：在采煤工作面切眼每隔15 m施工1個(gè)直徑42 mm、孔深10 m的鉆孔，鉆孔每鉆進(jìn)1 m測(cè)定其鉆屑量S值，每鉆進(jìn)2 m測(cè)定瓦斯解吸指標(biāo)K1值。鉆孔盡量布置在軟分層中，且平行于推進(jìn)方向。要求在工作面首次進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，連續(xù)進(jìn)行至少兩次驗(yàn)證，工作面每推進(jìn)10～50 m進(jìn)行兩次驗(yàn)證，在構(gòu)造破壞帶連續(xù)進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證無突出危險(xiǎn)性時(shí)，在采取安全防護(hù)措施的條件下進(jìn)行回采作業(yè)；當(dāng)有一次驗(yàn)證為突出危險(xiǎn)或鉆孔施工期間發(fā)生突出預(yù)兆時(shí)，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(yàn)證鉆孔布置方式見圖6，其中鉆屑指標(biāo)臨界值見表1.

圖6 區(qū)域驗(yàn)證孔布置示意圖

表1 鉆屑指標(biāo)法預(yù)測(cè)工作面突出危險(xiǎn)性指標(biāo)臨界值表

5 結(jié) 論

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

1) 結(jié)合研究區(qū)實(shí)際形成了一套包含突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、防治措施、效果檢驗(yàn)與驗(yàn)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(chǔ)層特征、瓦斯特征設(shè)計(jì)了適合于10706工作面的本煤層瓦斯抽采、鉆場(chǎng)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(qiáng)的適用條件，在設(shè)計(jì)抽采方法時(shí)必須結(jié)合研究區(qū)的實(shí)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(xué)(成人教育)，主要從事礦井通風(fēng)與安全生產(chǎn)工作

(E-mail)13838910327@163.com

TD712+

B

1672-0652(2017)04-0007-05