马兰矿10706工作面瓦斯综合防治研究

商建龙

(西山煤电股份有限公司 马兰矿，山西 古交 030505)



马兰矿10706工作面瓦斯综合防治研究

商建龙

(西山煤电股份有限公司 马兰矿，山西 古交 030505)

以马兰矿10706工作面为研究对象，在对研究区煤层特征、瓦斯特征、构造特征、通风特征进行分析的基础上，进行了突出危险性预测。根据预测结果及工作面实际情况，制定了与工作面相匹配的综合瓦斯防治措施，并建立了抽采措施检验与验证方法。形成了一套集危险性预测、防治措施、效果检验与验证为一体的瓦斯综合防治方法，这对实现瓦斯的高效抽采具有重要的意义。

瓦斯；突出危险性；工作面抽采；检验；验证

瓦斯是一种与煤炭共生共存的可流动性气体。在原始状态下其主要以吸附态、游离态赋存在煤岩体内部的孔裂隙中。当煤岩体受到采掘活动的影响时，瓦斯原有的平衡状态会被打破，吸附态的瓦斯向游离态转变，并由压力高的区域向压力低的区域流动，最终形成新的平衡。由于瓦斯的存在对煤矿的安全高效生产造成了极大的威胁，因此，诸多学者从瓦斯的赋存、运移角度出发，研究了多种瓦斯抽采方法，进行瓦斯的有效抽采。其中一些学者[1-4]以瓦斯赋存地质控制理论为基础，分析了影响瓦斯赋存的主控因素，得出了原始状态下瓦斯的赋存规律，设计了地面抽采井、顺层钻孔、穿层钻孔等抽采方式，对瓦斯富集区进行有针对性的瓦斯抽采；一些学者[5-8]以“O”型圈理论为基础，分析了采掘活动对煤岩孔裂隙发育的影响，得出了煤岩体渗透性分布规律，结合气体运移规律，提出了顶板高抽巷、裂隙带高位钻场等抽采方法对游离态瓦斯聚集区进行抽采；一些学者[9-12]在对采空区瓦斯涌出情况进行分析的基础上，结合通风情况，对采空区及上隅角瓦斯运移、富集规律进行了分析，提出了采空区埋管抽放、上隅角悬管抽放等瓦斯抽采措施，对采掘后游离态的瓦斯进行抽采。这些抽采方案对有效降低瓦斯浓度，实现煤矿的安全高效生产具有重要意义。但是，由于我国地质条件的复杂性，造成瓦斯赋存、运移的主控因素千差万别。对于同一矿区，甚至同一矿井的不同工作面瓦斯赋存、运移规律也不一样，而制定与瓦斯赋存、运移规律相匹配的抽采措施又是实现高效抽采的基础。综上所述，为了实现对马兰矿10706工作面瓦斯的快速抽采，本文以该工作面为研究对象，制定了瓦斯综合防治措施，以期实现瓦斯的快速抽采，实现煤矿的安全、高效生产。

1 研究区概况

1.1 马兰矿地质概况

马兰井田位于吕梁山背斜东翼，太原西山煤田构造盆地的西北边缘部位，地形一般西南高东北低，地层倾角也表现为西陡东缓，具有明显的煤田盆地边缘构造特征。全井田主要构造形态总体上可分为南北两部分。北部为马兰向斜所控制，地层走向近南北，向南走向转为南东，地层产状也随之发生变化。西南部因受狐偃山火成岩穹隆构造的影响，地层走向转为南东东，主要受北社—常安向斜所控制。现采区和后备区煤层倾角大部分区域为3°～12°，南六、南七采区西翼靠近井田边缘煤层倾角达35°；下水平煤层倾角大部分区域为3°～10°，其西翼越接近马兰向斜轴部倾角越大，可达30°，井田大部分区域属近水平和缓倾斜煤层。井田内断层较发育，但影响采区划分的大断层较少。

1.2 10706工作面瓦斯地质特征

1.2.1 工作面煤层及回采特征

该工作面主采煤层为02煤层，该煤层一般位于K4砂岩之下5～10m，除25、452、531、532、M49五个孔附近不可采外，全井田可采。煤层最大厚度2.69m，最小厚度0.39m，全井田平均1.38m，属薄-中厚煤层，大多无夹石，有时含1～2层夹石，顶底板多为泥岩及粉砂岩。

工作面标高为+894～+965m，盖山厚度370～505m，平均厚度456m，切眼东北侧最小间隔37m10313、10315采空区及空巷，轨道巷Ⅰ段、轨道巷Ⅱ段西北侧最小间隔24m分别为10704、10702采空区及空巷，其他方位暂无工程。其邻近工作面10704工作面走向长为430m，其中430～150m为瓦斯涌出量最大区段，最大绝对瓦斯涌出量11.2m3/min(其中风排瓦斯涌出量4.3m3/min，本煤层抽采1.3m3/min，上隅角埋管抽采2.5m3/min，钻场抽采3.1m3/min). 10706工作面设计可采走向长961m，倾斜长144/214m，煤层厚度2.2m，可采储量39.4万t，计划日产量2 500t.

1.2.2 工作面瓦斯涌出特征

通过对工作面上临近层、下临近层以及围岩等涌出源瓦斯涌出情况进行分析，并结合临近已采区瓦斯涌出情况，认为工作面瓦斯涌出的主要来源包括本煤层瓦斯涌出和临近层瓦斯涌出两个涌出源。因此，可以采用分源预测法分别对两个涌出源的涌出量进行计算。

根据瓦斯涌出量分源预测方法，结合研究区实际，进行不同涌出源瓦斯涌出量的计算，其中开采层瓦斯涌出量计算，可以采用式(1)：

式中：

q1—开采层瓦斯涌出量，m3/t；

k1—围岩瓦斯涌出系数，取1.30；

k2—考虑工作面丢煤瓦斯涌出系数；

k3—准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯涌出影响系数，取0.86；

m—开采层厚度，m；

M—工作面采高，m；

W0—煤层瓦斯含量，m3/t；

Wc—煤的残存瓦斯含量，m3/t.

对于临近层瓦斯涌出量的计算，可以采用式(2)：

式中：

q2—邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t；

mi—第i个邻近层厚度，m；

M—工作面采高，m；

W0i—第i层的瓦斯含量，m3/t；

Wci—第i邻近层残存瓦斯含量，m3/t；

ηi—第i邻近层瓦斯排放系数，取决于层间距离。

其中，临近层瓦斯排放系数可以通过图1求得：

1—上邻近层 2—缓倾斜煤层下邻近层 3—倾斜、急倾斜煤层下邻近层图1 邻近层的瓦斯排放系数与层间距的关系曲线图

采用分源计算方法，根据公式(1)(2)计算得出：预计10706工作面回采期间绝对瓦斯涌出量为10.6 m3/min，相对瓦斯涌出量6.11 m3/t，其中本煤层瓦斯涌出量6.92 m3/min，占瓦斯涌出总量的65.3%，下邻近层瓦斯涌出量3.68 m3/min，占瓦斯涌出总量的34.7%.

1.2.3 工作面通风情况

根据工作面布置及通风设计，该工作面采用“U”型通风方式，即轨道巷进风，皮带巷出风，具体通风路径为：新鲜风流：地面→南二进风立井→910南大巷→东二运输大巷→南七02#煤左翼集中轨道巷→10706轨道巷→工作面；污风风流：工作面→10706皮带巷→10706回风联巷→东二回风大巷→950回风巷→南二回风立井→地面。具体布置示意图见图2.

图2 10706工作面通风路线图

2 工作面突出危险性预测方法

根据突出规定，突出危险性预测只能由具有煤与瓦斯突出危险性鉴定资质的单位进行。根据《马兰矿02#煤层突出危险性鉴定报告》及《马兰矿02#煤层煤与瓦斯突出危险性区域预测报告》结论显示，02#煤层为突出煤层，煤层底板标高低于+939.5 m的区域为突出危险区域。10706工作面位于南七采区主采的02#煤层中，10706工作面02#煤底板标高为+894～+965 m，则10706工作面轨道巷里程189 m、皮带巷里程260 m以内为无突出危险区，其余区域及切眼所在区域为突出危险区。

3 工作面瓦斯综合防治措施

在对工作面煤层、瓦斯赋存特征、地质构造特征、通风情况及瓦斯涌出情况进行分析的基础上，结合研究区回采计划，制定了工作面“风排+抽采”的综合瓦斯治理措施，其中风排瓦斯量为3.8 m3/min，抽采瓦斯量为6.8 m3/min，工作面抽采率64.15%. 主要抽采措施有：本煤层顺层钻孔+钻场裂隙带+上隅角悬管抽采。预计回采期间本煤层抽采量2.0 m3/min，钻场裂隙带钻孔抽采量3.6 m3/min，上隅角悬管抽采量1.2 m3/min.

3.1 本煤层钻孔

在对煤层渗透性进行考察的基础上，在现场进行了影响半径测试。根据影响半径测试结果，结合煤层厚度、工作面布置及瓦斯分布情况，制定了本煤层钻孔瓦斯抽采措施，具体如下：在工作面皮带巷里程113～1 013 m段每隔5 m施工一个本煤层钻孔，共施工钻孔181个,其中113～768 m段孔深120 m，其余段孔深190 m. 钻孔均垂直于轨道巷施工，开孔距巷道底板1.3～1.5 m，孔径113 mm. 其中，钻孔具体布置见图3.

图3 本煤层钻孔布置示意图

3.2 钻场裂隙带钻孔

为了充分利用采动裂隙对煤层透气性带来的有利影响，设计了钻场裂隙带钻孔。根据裂隙带的分布规律、渗透性变化情况以及瓦斯运移规律，对钻场裂隙带钻孔进行了优化设计：从工作面皮带巷里程124 m开始，每隔50 m施工1个钻场，共施工钻场18个(1#～18#)，其中1#钻场距切眼45 m，每个钻场内施工10个顶板裂隙带钻孔，钻孔朝切眼方向呈扇形布置。1#～10#钻孔终孔距皮带巷巷帮分别为：8 m、16 m、24 m、32 m、40 m、48 m、56 m、64 m、72 m、80 m；终孔垂高分别为：5、6、7、8、9、10、11、11、12、12倍采高。1#钻场孔深50 m，其余钻场孔深均为90 m(此处孔深指钻孔沿巷道方向投影长度),两钻场间钻孔水平搭接40 m；开孔、终孔孔径均为113 mm. 其中，钻场及钻孔具体布置见图4.

图4 钻场裂隙带钻孔布置示意图

3.3 上隅角悬管抽采

由于通风方式的影响，在上隅角处风流发生转向，该区处于涡流状态，瓦斯难以随风流流动。同时，由于压差作用，也会引起此处风流紊乱。因此，该处容易成为瓦斯集聚区。结合该工作面的实际情况，对于该工作面上隅角瓦斯，采用悬管法进行抽采，选用地面低浓抽采系统抽采。

4 工作面抽采效果检验与验证

4.1 工作面抽采效果检验

在预抽钻孔分布符合设计要求的情况下，且工作面预抽时间达到6个月以上，预抽率达到35%后，采用直接测定煤层残余瓦斯含量的方法进行工作面抽采措施效果检验。

10610工作面切眼长度>120 m，检验测点沿回采工作面走向推进方向每隔30～50 m布置2个，检验测试点应布置于所在部位钻孔密度较小、孔间距较大、预抽时间较短的位置，并尽可能远离测试点周围的各预抽钻孔或与周围预抽钻孔保持等距离，且避开采掘巷道的排放范围和工作面的预抽超前距。在地质构造复杂区域适当增加检验测试点。工作面抽采效果检验钻孔示意图见图5.

图5 工作面抽采效果检验钻孔示意图

当煤层残余瓦斯含量<8 m3/t且钻孔施工期间无喷孔顶钻等异常现象时，工作面防突措施有效，该区域为无突出危险区；当煤层残余瓦斯含量≥8 m3/t或进行钻孔作业时发生了喷孔、顶钻及其他明显预兆时，该测点位置周围半径100 m内的区域措施无效，该区域仍为突出危险区。

经检验仍为突出危险区的区域，必须延长预抽时间或加强防突措施，并再次进行抽采措施效果检验，直至经检验无突出危险后，方可进行抽采效果验证。

4.2 工作面抽采效果验证

实施工作面瓦斯抽采措施后经效果检验为无突出危险的区域，采用钻屑解吸指标法进行回采工作面瓦斯抽采效果验证，具体方法为：在采煤工作面切眼每隔15 m施工1个直径42 mm、孔深10 m的钻孔，钻孔每钻进1 m测定其钻屑量S值，每钻进2 m测定瓦斯解吸指标K1值。钻孔尽量布置在软分层中，且平行于推进方向。要求在工作面首次进入该区域时，连续进行至少两次验证，工作面每推进10～50 m进行两次验证，在构造破坏带连续进行验证。经验证无突出危险性时，在采取安全防护措施的条件下进行回采作业；当有一次验证为突出危险或钻孔施工期间发生突出预兆时，该区域以后的回采作业均执行局部综合防突措施，验证钻孔布置方式见图6，其中钻屑指标临界值见表1.

图6 区域验证孔布置示意图

表1 钻屑指标法预测工作面突出危险性指标临界值表

5 结 论

通过对马兰矿10706工作面瓦斯防治措施进行分析研究得出如下结论：

1) 结合研究区实际形成了一套包含突出危险性预测、防治措施、效果检验与验证为一体的工作面瓦斯综合防治方法，为临近区瓦斯防治提供了一种思路。

2) 根据地质特征、煤储层特征、瓦斯特征设计了适合于10706工作面的本煤层瓦斯抽采、钻场裂隙带钻孔、上隅角瓦斯抽采的综合抽采方法。

3) 工作面瓦斯抽采措施具有较强的适用条件，在设计抽采方法时必须结合研究区的实际特征，找到与之相匹配的抽采措施。

[1] 杨相玉，杨胜强，路培超.顺层钻孔瓦斯抽采有效半径的理论计算与现场应用[J].煤矿安全，2013，44(3):5-8.

[2] 李 晓，李见辉，李 超，等.本煤层瓦斯抽采钻孔有效半径分布规律研究[J].煤炭技术，2015，34(1):252-254.

[3] 侯少杰，程远平，王海锋，等.单一松软强突出煤层瓦斯抽采技术[J].煤矿安全，2010，47(2):25-27.

[4] 张东升，范钢伟，任天祥.高瓦斯低透气性薄煤层地面瓦斯抽采井设计及优化[J].煤炭工程，2010(8):4-7.

[5] 谢建林，孙 晓.高瓦斯厚煤层采动裂隙发育区瓦斯抽采技术[J].煤炭科学技术，2013，41(5):68-71.

[6] 齐庆新，季文博，元继宏，等.底板贯穿型裂隙现场实测及其对瓦斯抽采的影响[J].煤炭学报，2014，39(8):1552-1558.

[7] 何 俊，唐一举，刘 静.单一低透气性高瓦斯煤层走向高位裂隙带钻孔瓦斯抽采效果分析[J].煤炭技术，2014，33(10):60-62.

[8] 胡 斌.邻近工作面裂隙带瓦斯抽放钻孔的研究[J].山西焦煤科技，2012(10):43-45.

[9] 曹文梁，年 军，王会斌，等.采空区地面钻孔瓦斯抽采技术分析[J].煤炭技术，2015，34(4):169-171.

[10] 王志亮，杨仁树.地面钻井卸压瓦斯抽采技术[J].煤矿安全，2011，42(10):22-24.

[11] 张西斌，张 勇，刘传安，等.基于采空区瓦斯运移规律的抽采钻场设计[J].煤炭科学技术，2012，40(3):56-61.

[12] 吴 兵，雷柏伟，华明国，等.回采工作面上隅角瓦斯拖管抽采技术参数研究[J].采矿与安全工程学报，2014，31(2):315-321.

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

商建龙(1983—)，男，河北涿州人，2017年毕业于重庆大学(成人教育)，主要从事矿井通风与安全生产工作

(E-mail)13838910327@163.com

TD712+

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1672-0652(2017)04-0007-05