李曉斌

(山西西山煤電股份有限公司 馬蘭礦，山西 古交 030205)

1 工程概況

山西焦煤西山煤電集團(tuán)公司馬蘭礦12504工作面井下位于南五采區(qū)，工作面走向長(zhǎng)度1 340 m，傾斜長(zhǎng)度為211 m，開采2號(hào)煤層，煤層厚度為2.68～3.57 m，平均厚度3.26 m，煤層內(nèi)平均含有1層夾矸，夾矸層平均厚度為0.17 m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，12504工作面的絕對(duì)瓦斯涌出量為23.73 m3/min，煤塵爆炸指數(shù)為25.34%，屬于Ⅱ類自燃煤層，工作面采用一次采全高綜合機(jī)械化開采方法，跟底開采，循環(huán)進(jìn)度0.6 m。12504工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，為解決12504工作面瓦斯含量高的問題，特進(jìn)行瓦斯綜合治理技術(shù)的研究。

2 瓦斯治理方案

根據(jù)12504工作面的地質(zhì)資料，結(jié)合礦井的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，工作面回采過程中瓦斯主要來源于本煤層，其中采空區(qū)瓦斯的涌出量占到很大的比例，綜合國內(nèi)外眾多瓦斯抽采的理論和實(shí)踐研究結(jié)果[1-3]，綜合確定工作面瓦斯抽采方案采用高位鉆孔+采空區(qū)埋管抽采的方式，具體抽采措施參數(shù)設(shè)置如下：

2.1 高位鉆孔抽采參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)12504工作面的開采特征及頂?shù)装鍘r層條件，計(jì)算得出頂板垮落帶平均高度為16.23 m，裂隙帶的平均高度為53.28 m，在進(jìn)行高位鉆孔參數(shù)設(shè)置時(shí)，主要需考慮到壓茬長(zhǎng)度、鉆孔在傾斜方向的控制范圍和走向布置方式等，具體參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

1) 鉆孔壓茬長(zhǎng)度確定：在進(jìn)行高位鉆孔布置時(shí)，一般均將鉆孔末段及終孔位置布置于頂板破斷面內(nèi)，根據(jù)相關(guān)研究可知[4]，鉆孔壓茬長(zhǎng)度可通過圖1所示進(jìn)行計(jì)算。圖中a為抽采盲區(qū)長(zhǎng)度，b為最小壓茬長(zhǎng)度，h為鉆孔的終孔位置距離煤層的高度，α為頂板垮落角，具體鉆孔最小壓茬長(zhǎng)度的計(jì)算方式如圖1所示。

圖1 高位鉆孔最小壓茬長(zhǎng)度計(jì)算示意

結(jié)合礦井資料，取α=56°，a=5 m。通過計(jì)算能夠得出工作面壓茬長(zhǎng)度的最小值和最大值分別為37 m和45 m，在一定程度上考慮頂板巖性變化導(dǎo)致的頂板垮落角的變化情況，故而在進(jìn)行壓茬長(zhǎng)度設(shè)計(jì)時(shí)，在最小壓茬長(zhǎng)度上要留有一定的富裕系數(shù)，結(jié)合工作面特征最終確定取壓茬長(zhǎng)度為41 m。

2) 高位鉆孔在工作面傾斜方向的控制范圍：基于長(zhǎng)壁工作面采動(dòng)影響下離層發(fā)育特征的“O”型圈理論，高位鉆孔在工作面傾斜方向上的控制范圍距回風(fēng)巷最大距離應(yīng)為工作面長(zhǎng)度的三分之一[5-6]，鉆孔在傾斜方向的終孔位置距風(fēng)巷的水平距離應(yīng)小于33 m，12504工作面的頂板走向和傾向垮落角基本均為56°，進(jìn)一步考慮到煤層傾角和厚度的變化，確定高位鉆孔與風(fēng)巷水平距離c的計(jì)算見式(1)：

(1)

式中：θ為工作面走向頂板垮落角；β為工作面傾斜頂板垮落角；h為鉆孔控制高度；d為鉆孔距煤層頂板巖層的距離。當(dāng)鉆孔控制高度分別為h=40 m和h=20 m時(shí)，計(jì)算得出平距值分別為24.12 m和12.06 m。

3) 頂板走向高位鉆孔布置：在12504工作面回風(fēng)巷內(nèi)，每間隔80 m垂直于回風(fēng)巷布置1條坡度為30°的上山，待掘進(jìn)到煤層頂板后，再沿頂板施工5 m作為鉆場(chǎng)平巷，鉆場(chǎng)尺寸為長(zhǎng)×寬×高=5 m×4 m×3 m。在進(jìn)行鉆場(chǎng)布置時(shí)，1號(hào)鉆場(chǎng)內(nèi)施工10個(gè)鉆孔，鉆孔分上下兩排布置，每排布置5個(gè)鉆孔，鉆孔布置形式呈扇形，鉆孔孔徑為94 mm，孔距為0.4 m，高位鉆孔終孔間距為6 m，控制工作面斜長(zhǎng)約為35 m，鉆孔采用添加5%左右膨脹劑的水泥砂漿封孔，封孔方式為兩堵一注，具體鉆孔參數(shù)如表1所示，鉆孔布置形式如圖2所示。

表1 高位鉆孔參數(shù)

圖2 高位鉆孔布置示意(m)

2.2 采空區(qū)埋管抽采設(shè)計(jì)

在工作面回風(fēng)巷內(nèi)，沿著工作面上幫底板鋪設(shè)1趟瓦斯抽采管路，在距離工作面開切眼40 m的位置處，通過設(shè)置彎管以提升瓦斯抽采管路，在接近巷道頂部的位置處，通過假設(shè)三通分叉，實(shí)現(xiàn)將一趟管路變成兩趟抽采支管，抽采管路管口相距約為10～15 m，將1號(hào)和2號(hào)抽采支管分別布置在距采空區(qū)深度為10 m和15 m的位置處[7]，在工作面抽采系統(tǒng)形成后即可開始1號(hào)抽采管的抽采，當(dāng)工作面回采至2號(hào)抽采管的位置處，關(guān)閉1號(hào)瓦斯抽采閥門，開啟2號(hào)抽采管進(jìn)行抽采作業(yè)。在采空區(qū)內(nèi)的兩趟抽采支管在采空區(qū)內(nèi)的深度須保持在15 m和10 m的位置處，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)抽采管路不間斷抽采采空區(qū)和上隅角瓦斯的目的。具體采空區(qū)埋管抽采布置形式如圖3所示。

圖3 采空區(qū)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實(shí)施期間，通過對(duì)高位鉆孔抽采數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，能夠得出隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，高位鉆孔在抽采期間抽采瓦斯的混合流量、抽采瓦斯?jié)舛群图兞康淖兓€，現(xiàn)具體以1號(hào)鉆場(chǎng)抽采期間的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體曲線如圖5所示。

分析圖4可知，1號(hào)鉆場(chǎng)在瓦斯抽采期間，鉆場(chǎng)內(nèi)抽采主管路抽采流量均在32.99～54.92 m3/min的范圍內(nèi)，抽采主管路內(nèi)的瓦斯抽采最大濃度為3.57%，平均瓦斯抽采濃度為2.64%，在1號(hào)鉆場(chǎng)抽采期間，其實(shí)現(xiàn)了有效抽采瓦斯52 385.92 m3。

圖4 1號(hào)鉆場(chǎng)瓦斯抽采參數(shù)變化

另外，根據(jù)1號(hào)鉆場(chǎng)抽采期間的數(shù)據(jù)能夠得出鉆場(chǎng)在工作面回采推進(jìn)不同距離時(shí)鉆孔的瓦斯抽采率變化曲線，如圖5所示。

圖5 瓦斯抽采率變化曲線

分析圖5可知，在12504工作面回采期間，高位鉆孔的瓦斯抽采率基本均在20%以上，在工作面回采推進(jìn)380～400 m時(shí)，出現(xiàn)瓦斯抽采率降低至20%以下的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)殡S著回采作業(yè)進(jìn)行，鉆孔的終孔高度不斷降低，進(jìn)而導(dǎo)致高位鉆孔抽采采空區(qū)的瓦斯量逐漸減弱；另外在工作面回采推進(jìn)至346 m時(shí)，高位鉆孔的瓦斯抽采率達(dá)到最大值，抽采率達(dá)到51.8%，根據(jù)1號(hào)鉆孔服務(wù)時(shí)間內(nèi)的瓦斯抽采濃度分析，計(jì)算得出1號(hào)鉆場(chǎng)的平均瓦斯抽采率為30.4%。

12504工作面回采期間，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試記錄的方式進(jìn)行工作面回風(fēng)流和上隅角瓦斯?jié)舛鹊姆治?，根?jù)分析結(jié)果得出工作面上隅角和回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛茸兓€，如圖6所示。

圖6 工作面上隅角及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛惹€

分析圖6可知，工作面在回采推進(jìn)249 m時(shí)，開始埋管抽采作業(yè)，在工作面采用高位鉆孔期間，工作面回風(fēng)流中的最大瓦斯?jié)舛扔?.88%降低至0.68%，相較于工作面僅采用埋管抽采時(shí)，瓦斯?jié)舛冉捣鶠?2.7%，上隅角的平均瓦斯?jié)舛扔?.2%～0.5%降低至0.18%～0.4%，工作面上隅角的最大瓦斯?jié)舛扔?.4%降低至0.86%，降幅達(dá)到38.6%.另外從圖中能夠看出，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風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛?，回采期間內(nèi)未發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象，有效解決了瓦斯含量高的問題。

4 結(jié) 語

根據(jù)12504工作面煤層賦存及開采條件，確定工作面采用高位鉆孔+采空區(qū)埋管抽采相結(jié)合的瓦斯治理方案，基于高位鉆孔設(shè)計(jì)原則進(jìn)行鉆孔壓茬長(zhǎng)度、鉆孔在工作面傾斜方向的控制范圍、頂板走向高位鉆孔布置參數(shù)的設(shè)計(jì)，并對(duì)采空區(qū)埋管抽采參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，瓦斯抽采方案實(shí)施后有效解決了工作面瓦斯含量高的問題。