马兰矿综采工作面上隅角瓦斯治理抽采措施研究

孙丽荣

（山西西山煤电股份有限公司马兰矿，山西 古交 030200）

0 引言

随着简单煤炭资源的不断开采，目前条件复杂的煤炭资源普遍具有瓦斯含量含量较高的不利条件，瓦斯事故的频频发生严重影响了矿井的安全开采[1,2]。在采用“U”型通风的采煤工作面，上隅角最容易发生瓦斯积聚，造成瓦斯超限，严重影响煤矿的安全生产。目前许多研究学者针对矿井工作面瓦斯治理技术进行了研究；毕慧杰[3]采用理论分析和数值模拟分析了工作面采动裂隙演化规律，采用定向钻孔技术使工作面瓦斯浓度降到安全标准。雷照源[4]分析了深部高瓦斯矿井的具体涌入路径，并针对性的采取了综合立体抽采技术，实现了空间全方位抽采，降低了瓦斯浓度。

马兰矿2014年10月正式升级为瓦斯突出矿井，现开采煤层为02#煤、8#煤，因此需重点针对02#煤、8#煤采煤工作面瓦斯抽放综合防治措施进行研究。

1 矿井概况

马兰矿作为西山煤电集团主力生产矿井之一，井田位于山西省古交市西南面，1983年11月20日开工建设，1990年6月27日建成投产，生产能力3.60Mt/a，现主要开采 02#、2#、8# 煤层。02#、2# 煤层间距3～7m，采用联合布置、分层开采，运输系统分开；8#煤与2#煤层间距大，采用单系统开采。02#煤、8#煤上隅角瓦斯治理是矿井瓦斯治理工作中的重点与难点。

2 上隅角瓦斯综合治理技术

2.1 上隅角高瓦斯产生机理

2.1.1 风流状态

由马兰矿具体工作面生产条件可知，通风方式为“U”型通风。而位于上隅角处风流速度较小，容易漏风，且存在局部涡流现象，瓦斯在此处易产生聚集现象，形成上隅角瓦斯含量增大。如图1所示。

图1 采用“U”型通风的工作面瓦斯状态

2.1.2 压差

风流从工作面进风巷进入，流经工作面后，从回风巷流出。根据前人研究可知，风速大的区域压差小，风速小的区域压差大。而采煤工作面上隅角处风速较小，压差较小，不能及时将瓦斯吹散，进而在上隅角处形成瓦斯聚集。

2.2 上隅角瓦斯抽放措施

由于工作面上隅角易产生漏风现象且压差较小，因此瓦斯聚集较多。针对采空区漏风，我矿主要采取封堵切眼进、回风隅角、控制采空区悬顶面积等固有手段减少采空区漏风。为保证上隅角及采空区瓦斯抽排效果，我矿采取高抽巷抽采、瓦斯抽放巷裂隙带抽采、瓦斯抽放巷大直径钻孔抽采、上隅角悬管抽采等综合措施治理上隅角瓦斯。

2.2.1 高抽巷瓦斯抽采

高抽巷瓦斯抽采技术主要针对我矿8#煤采区，以18506工作面为例，该工作面位于南五下组煤采区右翼，工作面设计可采走向长1219m，采长261m。工作面主采石炭系太原组8号煤层，属稳定可采厚煤层，煤层厚度4.02～4.88m，平均4.58m。工作面进行回采时，顶板岩层没有充分垮落，导致上隅角处产生了瓦斯聚集。因此，在距18506工作面顶板垂高48米，内错工作面辅运巷30m位置施工一条高抽巷，巷道断面12.6m2，巷道全长1313m，巷道施工完后在巷道口铺设D630管路，并进行密闭带抽。

由其他矿井工程经验可知采空区埋管抽采瓦斯，很难达到预期效果，尤其是在地质环境较差的工作面难以应用。但布置高抽巷进行瓦斯抽采，抽采瓦斯浓度高且相对稳定。回采期间，18506工作面抽采量20.5m3/min,其中高抽巷抽采量12.21m3/min，占工作面抽采量的59.56%，能够有效牵制采空区瓦斯，保证上隅角瓦斯安全可控。

图2 18506高抽巷位置示意图

2.2.2 上隅角悬管抽采

矿井所用综采工作面均采用悬管法进行上隅角瓦斯抽采，选用分源抽采低浓系统带抽。

悬管抽采工作原理为在工作阿敏上隅角处形成负压区，在空气压力的作用下，周边瓦斯都会被压向负压区，最终通过负压区布置的瓦斯管道排出瓦斯。同时结合马兰矿采空区自燃三带分布规律及工程经验可以确定，在上隅角处布置瓦斯管道深入采空区5～25m，可以保证瓦斯排放大道预期效果。

上隅角埋管采用错位20m双管布置，抽采管路沿巷道顶板布置。先利用第2趟管开始抽瓦斯，待第1趟管进入采空区约20m时，开始铺设第2趟管。在第1趟管进入采空区25m左右时将其断开，保证瓦斯抽采在工作面后方25m采空区范围内进行，使用第2趟管进行瓦斯抽采。另外在第2趟管进入采空区的未垮落区时，可以提前将第1趟管与抽采系统并联抽采瓦斯。工作面上隅角错位埋管方式如图3、图4所示。

图3 错位埋管布置方式（平面）

图4 错位埋管布置方式（剖面）

2.2.3 瓦斯抽放巷采空区抽采

瓦斯抽放巷采空区抽采技术针对我矿02#煤采煤工作面设计。以10606工作面为例，该工作面位于南六采区左翼，工作面长229m，走向长1716m，煤层倾角3°，煤层厚度平均2.14m，属稳定可采中厚煤层。在10606瓦斯抽放巷内从巷道里程1670m（距切眼40m位置）开始至巷道里程150m段，垂直于巷道回采帮每隔40m向10606皮带巷施工一个钻孔，共施工39个。孔深21m，钻孔开孔距巷道底板1.1m，终孔落于10606皮带巷保险帮与巷道顶板夹角处，孔径650mm，合计进尺819m。钻孔施工完后全程下入套管（孔径426mm的螺旋焊缝钢管）。

10606工作面大直径钻孔抽采技术替代了原10608工作面联络巷埋管抽采技术，能够有效解决了工作面上隅角和采空区瓦斯治理难题。在保证足够的抽采量的情况下，联络巷和上隅角悬管均可以取消，同时达到了简化抽采系统，降低成本和劳动强度，实现工作面安全高效回采的目的。

图5 10606工作面大孔径钻孔平面布置示意图

图6 10606工作面大孔径钻孔剖面示意图

2.2.4 瓦斯抽放巷裂隙带抽采

瓦斯抽放巷裂隙带抽采同样针对我矿02#煤采煤工作面设计。在10606工作面瓦斯抽放巷里程150m至里程1698m段施工高位裂隙带钻孔，钻孔垂直于瓦斯抽放巷施工，开孔于瓦斯抽放巷回采帮与巷道顶板夹角位置，依据南六采区10610、10608工作面裂隙带抽采经验，钻孔设计为倾角37°，开孔间距6m，孔深70m,孔径113mm，共设计钻孔259个。总进尺18130m。为了确保抽采效果，要求下套管深度不小于60m。

图7 10606工作面高位裂隙带钻孔布置图

3 上隅角综合治理效果分析

经过采取高抽巷抽采、瓦斯抽放巷裂隙带抽采、瓦斯抽放巷大直径钻孔抽采、上隅角悬管抽采等综合瓦斯抽放措施治理上隅角瓦斯，以马兰矿18506工作面上隅角瓦斯监测数据为例，可以得到如图8所示瓦斯浓度随时间变化曲线，可知瓦斯浓度保持在0.3%～0.6%，解决了工作面上隅角瓦斯聚集的问题，保障了工作面的安全生产。

图8 工作面瓦斯浓度随时间变化曲线图

4 结束语

针对马兰矿工作面瓦斯含量较高、突出危险的工作面条件，主要由于风流及压差作用瓦斯在工作面上隅角形成了聚集，并分析了上隅角瓦斯抽采机理；分别以8煤和02煤的18506工作面、10606工作面具体地质条件为例，采用了高抽巷瓦斯抽采技术、上隅角悬管抽采、瓦斯抽放巷裂隙带抽采及瓦斯抽放巷采空区抽采等瓦斯治理措施，并确定了各治理方案的具体技术参数。最后在马兰矿工作面进行了实践应用，由工作面现场数据分析可知瓦斯浓度保持在0.3%～0.6%，保障了工作面的安全生产。