馬蘭礦綜采工作面上隅角瓦斯治理抽采措施研究

孫麗榮

（山西西山煤電股份有限公司馬蘭礦，山西 古交 030200）

0 引言

隨著簡單煤炭資源的不斷開采，目前條件復雜的煤炭資源普遍具有瓦斯含量含量較高的不利條件，瓦斯事故的頻頻發生嚴重影響了礦井的安全開采[1,2]。在采用“U”型通風的采煤工作面，上隅角最容易發生瓦斯積聚，造成瓦斯超限，嚴重影響煤礦的安全生產。目前許多研究學者針對礦井工作面瓦斯治理技術進行了研究；畢慧杰[3]采用理論分析和數值模擬分析了工作面采動裂隙演化規律，采用定向鉆孔技術使工作面瓦斯濃度降到安全標準。雷照源[4]分析了深部高瓦斯礦井的具體涌入路徑，并針對性的采取了綜合立體抽采技術，實現了空間全方位抽采，降低了瓦斯濃度。

馬蘭礦2014年10月正式升級為瓦斯突出礦井，現開采煤層為02#煤、8#煤，因此需重點針對02#煤、8#煤采煤工作面瓦斯抽放綜合防治措施進行研究。

1 礦井概況

馬蘭礦作為西山煤電集團主力生產礦井之一，井田位于山西省古交市西南面，1983年11月20日開工建設，1990年6月27日建成投產，生產能力3.60Mt/a，現主要開采 02#、2#、8# 煤層。02#、2# 煤層間距3～7m，采用聯合布置、分層開采，運輸系統分開；8#煤與2#煤層間距大，采用單系統開采。02#煤、8#煤上隅角瓦斯治理是礦井瓦斯治理工作中的重點與難點。

2 上隅角瓦斯綜合治理技術

2.1 上隅角高瓦斯產生機理

2.1.1 風流狀態

由馬蘭礦具體工作面生產條件可知，通風方式為“U”型通風。而位于上隅角處風流速度較小，容易漏風，且存在局部渦流現象，瓦斯在此處易產生聚集現象，形成上隅角瓦斯含量增大。如圖1所示。

圖1 采用“U”型通風的工作面瓦斯狀態

2.1.2 壓差

風流從工作面進風巷進入，流經工作面后，從回風巷流出。根據前人研究可知，風速大的區域壓差小，風速小的區域壓差大。而采煤工作面上隅角處風速較小，壓差較小，不能及時將瓦斯吹散，進而在上隅角處形成瓦斯聚集。

2.2 上隅角瓦斯抽放措施

由于工作面上隅角易產生漏風現象且壓差較小，因此瓦斯聚集較多。針對采空區漏風，我礦主要采取封堵切眼進、回風隅角、控制采空區懸頂面積等固有手段減少采空區漏風。為保證上隅角及采空區瓦斯抽排效果，我礦采取高抽巷抽采、瓦斯抽放巷裂隙帶抽采、瓦斯抽放巷大直徑鉆孔抽采、上隅角懸管抽采等綜合措施治理上隅角瓦斯。

2.2.1 高抽巷瓦斯抽采

高抽巷瓦斯抽采技術主要針對我礦8#煤采區，以18506工作面為例，該工作面位于南五下組煤采區右翼，工作面設計可采走向長1219m，采長261m。工作面主采石炭系太原組8號煤層，屬穩定可采厚煤層，煤層厚度4.02～4.88m，平均4.58m。工作面進行回采時，頂板巖層沒有充分垮落，導致上隅角處產生了瓦斯聚集。因此，在距18506工作面頂板垂高48米，內錯工作面輔運巷30m位置施工一條高抽巷，巷道斷面12.6m2，巷道全長1313m，巷道施工完后在巷道口鋪設D630管路，并進行密閉帶抽。

由其他礦井工程經驗可知采空區埋管抽采瓦斯，很難達到預期效果，尤其是在地質環境較差的工作面難以應用。但布置高抽巷進行瓦斯抽采，抽采瓦斯濃度高且相對穩定。回采期間，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%，能夠有效牽制采空區瓦斯，保證上隅角瓦斯安全可控。

圖2 18506高抽巷位置示意圖

2.2.2 上隅角懸管抽采

礦井所用綜采工作面均采用懸管法進行上隅角瓦斯抽采，選用分源抽采低濃系統帶抽。

懸管抽采工作原理為在工作阿敏上隅角處形成負壓區，在空氣壓力的作用下，周邊瓦斯都會被壓向負壓區，最終通過負壓區布置的瓦斯管道排出瓦斯。同時結合馬蘭礦采空區自燃三帶分布規律及工程經驗可以確定，在上隅角處布置瓦斯管道深入采空區5～25m，可以保證瓦斯排放大道預期效果。

上隅角埋管采用錯位20m雙管布置，抽采管路沿巷道頂板布置。先利用第2趟管開始抽瓦斯，待第1趟管進入采空區約20m時，開始鋪設第2趟管。在第1趟管進入采空區25m左右時將其斷開，保證瓦斯抽采在工作面后方25m采空區范圍內進行，使用第2趟管進行瓦斯抽采。另外在第2趟管進入采空區的未垮落區時，可以提前將第1趟管與抽采系統并聯抽采瓦斯。工作面上隅角錯位埋管方式如圖3、圖4所示。

圖3 錯位埋管布置方式（平面）

圖4 錯位埋管布置方式（剖面）

2.2.3 瓦斯抽放巷采空區抽采

瓦斯抽放巷采空區抽采技術針對我礦02#煤采煤工作面設計。以10606工作面為例，該工作面位于南六采區左翼，工作面長229m，走向長1716m，煤層傾角3°，煤層厚度平均2.14m，屬穩定可采中厚煤層。在10606瓦斯抽放巷內從巷道里程1670m（距切眼40m位置）開始至巷道里程150m段，垂直于巷道回采幫每隔40m向10606皮帶巷施工一個鉆孔，共施工39個。孔深21m，鉆孔開孔距巷道底板1.1m，終孔落于10606皮帶巷保險幫與巷道頂板夾角處，孔徑650mm，合計進尺819m。鉆孔施工完后全程下入套管（孔徑426mm的螺旋焊縫鋼管）。

10606工作面大直徑鉆孔抽采技術替代了原10608工作面聯絡巷埋管抽采技術，能夠有效解決了工作面上隅角和采空區瓦斯治理難題。在保證足夠的抽采量的情況下，聯絡巷和上隅角懸管均可以取消，同時達到了簡化抽采系統，降低成本和勞動強度，實現工作面安全高效回采的目的。

圖5 10606工作面大孔徑鉆孔平面布置示意圖

圖6 10606工作面大孔徑鉆孔剖面示意圖

2.2.4 瓦斯抽放巷裂隙帶抽采

瓦斯抽放巷裂隙帶抽采同樣針對我礦02#煤采煤工作面設計。在10606工作面瓦斯抽放巷里程150m至里程1698m段施工高位裂隙帶鉆孔，鉆孔垂直于瓦斯抽放巷施工，開孔于瓦斯抽放巷回采幫與巷道頂板夾角位置，依據南六采區10610、10608工作面裂隙帶抽采經驗，鉆孔設計為傾角37°，開孔間距6m，孔深70m,孔徑113mm，共設計鉆孔259個。總進尺18130m。為了確保抽采效果，要求下套管深度不小于60m。

圖7 10606工作面高位裂隙帶鉆孔布置圖

3 上隅角綜合治理效果分析

經過采取高抽巷抽采、瓦斯抽放巷裂隙帶抽采、瓦斯抽放巷大直徑鉆孔抽采、上隅角懸管抽采等綜合瓦斯抽放措施治理上隅角瓦斯，以馬蘭礦18506工作面上隅角瓦斯監測數據為例，可以得到如圖8所示瓦斯濃度隨時間變化曲線，可知瓦斯濃度保持在0.3%～0.6%，解決了工作面上隅角瓦斯聚集的問題，保障了工作面的安全生產。

圖8 工作面瓦斯濃度隨時間變化曲線圖

4 結束語

針對馬蘭礦工作面瓦斯含量較高、突出危險的工作面條件，主要由于風流及壓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機理；分別以8煤和02煤的18506工作面、10606工作面具體地質條件為例，采用了高抽巷瓦斯抽采技術、上隅角懸管抽采、瓦斯抽放巷裂隙帶抽采及瓦斯抽放巷采空區抽采等瓦斯治理措施，并確定了各治理方案的具體技術參數。最后在馬蘭礦工作面進行了實踐應用，由工作面現場數據分析可知瓦斯濃度保持在0.3%～0.6%，保障了工作面的安全生產。