马兰煤矿10610 工作面瓦斯治理技术探讨

2021-01-06景建鹏

煤矿现代化 2021年1期

景建鹏

（西山煤电马兰矿，山西古交030200）

1 工程概况

马兰煤矿10610 工作面埋深为400m，沿走向布置，沿倾向推进，工作面长度为240m，所采煤层主要为3～5 号煤层，煤层的平均倾角为3°，煤层厚度约为11m，属于近水平特厚煤层。工作面顶板上方有一层约0.2m 厚的铝质泥岩，该岩层富含植物化石，强度较低。直接顶和直接底则均为粉砂质泥岩，厚度分别为3.4m 和0.1m，老顶则为粉砂岩，强度较高，围岩完整性较好。10610 工作面共布置三条大巷，其中左右两侧分别为进风巷和回风巷，顶板上方布置一条瓦斯巷。该工作面采用综采放顶煤开采工艺，通风方式采用全负压通风，配风量为3100m3/min。

马兰煤矿10610 工作面在回采期间瓦斯涌出量较大，严重制约着矿井的正常安全生产，而该工作面所采煤层属于Ⅱ类自燃煤层，若不对其进行及时治理则可能引发重大安全事故，因此探明工作面瓦斯浓度较大的原因并提出合理的治理措施对于矿井的正常安全生产具有重要意义。

2 现场监测

2.1 瓦斯分布现场测定

掌握工作面瓦斯的分布特征以及来源对于工作面瓦斯浓度较大的现象进行治理具有重要意义，为了使监测数据更加全面、准确，沿工作面走向方向共布置5 条测线，分别位于煤壁后方1m、2.5m。4m、5.5m和7m 处，每条测线上共布有9 个测点，每个测点间隔30m，具体的布置示意图如图1 所示。

图1 测点布置示意图

表1 各测点数据统计表

瓦斯在测定时所使用的仪器为CJG10 型光学瓦斯测定仪，测定时间为检修维护班期间，测定时从测点1 开始逐一测定，每个测点共测3 次，并求得其平均值，将所测结果统计于表1 之中。

2.2 测试数据有效性分析

1）所布置测线对工作面瓦斯浓度测试范围较广，且测点覆盖区域面积分别是煤壁侧和采空区侧未布点区域面积的6 倍和3 倍，通过测点区域的瓦斯浓度的分布规律可以推算出未布测点区域的瓦斯浓度分布规律。

2）在布点区域进行瓦斯浓度测试时，每个测点共测试了3 次，将3 次测试结果相加并求得其平均值，从而保证了测试结果的准确性。

3）CJG10 型光学瓦斯测定仪是根据光学的相关原理所制成的，测定精度较高。

通过上述分析可知，该测试方案具有一定的合理性，测试结果具有一定的准确性。

2.3 测试数据三维化

使用MATLAB 软件将测试所得的数据三维化，如图2 所示，这样便于对工作面瓦斯浓度的分布特征做一个直观的了解，有利于治理措施的制定。

图2 工作面瓦斯浓度分布特征图

从该图中可以得到如下两点规律：

1）在沿工作面倾向方向的总长度上，靠近煤壁的前二分之一段，工作面瓦斯浓度较小，瓦斯浓度的变化幅度较为平稳，瓦斯浓度增长的平均梯度仅为0.00034%/m。工作面后二分之一段瓦斯浓度明显增大，瓦斯浓度增长的平均梯度达到了0.0019%/m，且越靠近采空区瓦斯的浓度就越大。

2）在靠近采空区侧的瓦斯浓度，沿工作面的布置方向上呈现出明显的高低高趋势。

将测试所得的数据通过MATLAB 软件三维化，可以直观的反映出工作面瓦斯浓度分布的大体规律，结果具有一定的参考价值。

2.4 工作面瓦斯分布可视化

在工作面布置测点对不同地方的瓦斯浓度进行监测时，由于现场环境的限制，并不能在紧贴煤壁和采空区边缘的位置布置测点，从而使得所测数据并不能覆盖整个工作面。由于趋势面拟合法在发掘空间散点的变化规律中具有广泛的应用，故本文使用该方法对测试点数据向煤壁侧和采空区边缘侧进行了扩展，并将最终所得数据通过MATLAB 软件三维化，如图3所示。

图3 工作面瓦斯分布可视化图

图3 中所绘制的可视化图覆盖了整个工作面的瓦斯浓度，与图2 相比更为准确、全面，提高了数据的可读性。从图3 中可以看出整个工作面瓦斯浓度最高的地方位于上隅角支架尾部，分析认为该处存在一个低压中心，空气流动较慢，煤壁和采空区侧的瓦斯易在此形成涡流，不能及时的汇入工作面风流当中。

3 工作面瓦斯来源分析

掌握工作面的瓦斯来源对于治理措施的制定同样具有重要意义，表2 为在不同生产期间工作面的绝对瓦斯含量统计表。

表2 不同生产期间工作面绝对瓦斯含量统计表

表3 工作面瓦斯涌出源涌出瓦斯含量统计表

工作面综放煤时绝对瓦斯涌出量为生产班工作面绝对瓦斯涌出量减去检修班工作面绝对瓦斯涌出量，最终采放煤时工作面绝对瓦斯涌出量的计算结果为10.97m3/min。同时对煤壁瓦斯源和采空区瓦斯源亦进行了相关监测与计算，并将最终数据统计于表3之中。

通过该表中数据可知，采空区瓦斯源绝对瓦斯涌出量较多，为18.97 m3/min，达到了工作面绝对瓦斯总涌出量的59.2%，采放煤瓦斯源绝对瓦斯涌出量仅次于采空区瓦斯源绝对瓦斯涌出量，为工作面绝对瓦斯总涌出量的34.2%，煤壁瓦斯源绝对瓦斯涌出量最少，仅为2.12 m3/min，仅占工作面绝对瓦斯总涌出量的6.6%。

4 工作面瓦斯治理措施制定

综合工作面瓦斯浓度的分布特征以及瓦斯来源分析可知，采空区瓦斯涌出量较多，这是造成工作面瓦斯浓度偏大的主要原因，同时在对工作面瓦斯进行治理时，应着重对上隅角支架尾部的瓦斯进行治理，所制定的具体措施如下。

1）布置大直径定向长钻孔。在10610 工作面回风绕道布置钻场，在该钻场中布置大直径定向长钻孔来对采空区内的瓦斯进行抽采，该钻场共布置6 个钻孔，钻孔直径为150mm，抽采负压设为15kPa，1 号钻孔～6 号钻孔距离10610 回风巷水平距离依次为30m、35m、40m、45m、50m、55m。钻孔布置层位均距煤层底板34m，钻孔定向长度为400m，钻孔通过钢丝缠绕管、集气箱与瓦斯抽采管路连接，钻孔布置示意图如图4 所示。

图4 钻孔布置示意图

2）上隅角埋管抽采。为治理工作面上隅角瓦斯，在工作面上隅角采用埋管法进行抽采，选用分源抽采低浓系统带抽。

5 治理效果评价

由于工作面上隅角瓦斯浓度较大，为了更好的评价治理效果，治理措施实施后本文重点对上隅角的瓦斯浓度进行了现场监测，依据监测数据所绘制成的上隅角瓦斯浓度变化趋势如图5 所示。

图5 上隅角瓦斯浓度随监测时间的变化趋势

由图5 可知，在治理前工作面上隅角瓦斯浓度波动较大，但基本保持在0.6%以上，导致工作面瓦斯浓度时常超限，严重影响工作面的正常回采。而治理后，上隅角瓦斯浓度出现了明显的下降，该处瓦斯浓度基本保持在0.4%左右，且变化趋势较为平稳，同时该工作面的瓦斯抽采率达到了70%～82%，所制定的治理措施对工作面瓦斯浓度较大的现象治理效果显著。