馬蘭礦18506 工作面瓦斯抽采技術研究及應用

馬 勇

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

2019 年我國大型煤炭企業采煤機械化程度為98.1%。根據我國煤炭工業發展“十三五”規劃，到2020 年全國煤礦的采煤機械化程度將達到85%。綜合機械化采煤具有高產高效的特點，但對礦井安全產生了一定的不利影響。尤其對于大采高高瓦斯及瓦斯突出礦井，由于綜采的推進速度快，頂板垮落面積大，瓦斯集中涌出，極易造成回風流、上隅角等局部地點瓦斯超限，影響礦井安全生產[1-3]。因此，降低瓦斯濃度、消除突出危險是實現高瓦斯礦井安全回采的關鍵。

1 工作面概況

1.1 地質條件

馬蘭礦18506 工作面位于南五采區，所采煤層為8 號煤。煤層均厚4.43 m，平均傾角4°，工作面頂底板情況如柱狀圖所示。

圖1 18506 工作面柱狀圖

1.2 生產條件

18506工作面傾斜長度251 m，走向長度1300 m，采用走向長壁綜合機械化一次采全高開采方法，全部垮落法管理頂板。

1.3 瓦斯情況

山西焦煤集團2017 年—2019 年對馬蘭礦進行的瓦斯鑒定結果如表1 所示，由表可以看出，馬蘭礦為高瓦斯突出礦井。

表1 瓦斯涌出量鑒定

馬蘭礦18506 工作面掘進期間的絕對瓦斯涌出量為1.8 m3/min，相對瓦斯涌出量為3.1 m3/t，瓦斯壓力為0.43 MPa。

根據沈陽煤科院對礦井8#煤層瓦斯基礎參數測定結果，結合工作面掘進期間瓦斯涌出量，預計18506 綜采工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為35.56 m3/min，相對瓦斯涌出量6.13 m3/t。采用抽排措施后，預計回采期間風排瓦斯量10 m3/min，相對瓦斯涌出量為2.4 m3/t，瓦斯抽采量25.56 m3/min。

1.4 通風路線

18506 工作面采用 “U”型通風的方式，新鮮風流從皮帶巷進入，過工作面后的污風經輔運巷排出。

（1）新鮮風流：地面→付立井/付斜井/主斜井→910 南大巷→南下組煤石門→南五下組煤輔助運輸下山→18506 皮帶巷→工作面。

（2）污風風流：工作面→18506 輔運巷→ 回風聯巷→南五下組煤右（左）翼集中回風巷→南五下組煤回風下山/南五下組煤補回風下山→南五下組煤回風斜巷→980 回風巷→南一回風巷/南一補回風巷→南一回風井→地面。

2 瓦斯涌出量預測

目前瓦斯涌出量的預測方法主要有瓦斯涌出梯度法和分源預測法。其中，分源預測法相對比較系統、完善，在國內煤礦中得到了廣泛的應用。該方法的實質是對不同來源的瓦斯涌出量進行預計疊加。根據煤層的賦存條件和開采技術條件，結合不同瓦斯涌出源（包括本煤層、鄰近煤層、采空區瓦斯）的涌出規律，預估得出本煤層開采和下工作面巷道掘進的瓦斯涌出量，同時考慮采空區瓦斯涌出系數，幾個數值相加即為工作面回采期間的預計瓦斯涌出量[4-5]。

利用該方法對馬蘭礦18506 工作面回采期間的瓦斯涌出量進行預測。根據馬蘭礦的開采經驗，8號煤層瓦斯的主要來源是本煤層，采用如下公式進行計算。

式中：qb為瓦斯相對涌出量，m3/t；k1為圍巖瓦斯涌出系數，垮落法開采取1.3；k2為工作面丟煤瓦斯涌出系數，取1.15；k3為下工作面巷道的瓦斯涌出影響系數，取0.9；x0為煤層瓦斯含量，m3/t；x1為煤層殘余瓦斯含量，m3/t。

根據以上計算可得，18506 工作面回采期間絕對瓦斯涌出量為35.6 m3/min，相對瓦斯涌出量為 6.13 m3/t。從預計結果看，回采期間僅僅靠通風難以消除瓦斯的影響。為保證回采安全，按照“先抽后采”的方針，必須對工作面瓦斯進行抽采。

3 瓦斯抽采設計

3.1 瓦斯抽采方法

當前高瓦斯防治和煤與瓦斯突出防治技術主要包括開采保護層和預抽煤層瓦斯兩種。其中開采保護層的效果最好，但應用上有一定的限制。而煤層瓦斯抽采則應用較廣，主要包括井下穿層鉆孔預抽、順層鉆孔預抽及地面井預抽等，如圖2。

圖2 煤礦瓦斯抽采方法

結合馬蘭礦18506 工作面的實際情況，決定采用順層抽采、高抽巷抽采、裂隙帶抽采等多種方式聯合抽采瓦斯。

3.2 本煤層抽采

在18506 工作面運輸巷和運料巷布置煤層順層鉆孔，抽采工作面煤層瓦斯。

順層鉆孔的布置分扇形布置和垂巷布置兩種，如圖3。在運料巷切眼附近布置扇形鉆孔，間距為2 m，深度為44～277 m 不等。切眼以外的運料巷及運輸巷布置垂巷順層鉆孔，其基本參數見表2。

表2 順層鉆孔參數

圖3 順層抽采鉆孔布置

為增強圍巖通透性，提高抽采濃度，在所有的垂巷順層鉆孔中間隔利用CO2增透技術對孔壁進行預裂。

3.3 高抽巷抽采

在18506 工作面頂板區域內掘進高抽巷，位置如圖4。巷道斷面為4.3 m×3.0 m（寬×高），總長度為1300 m，巷內鋪設直徑為630 mm 的瓦斯抽采管路，進行密閉帶抽，用于工作面裂隙帶瓦斯抽采。

圖4 高抽巷位置示意圖

3.4 裂隙帶鉆孔抽采

工作面初采期間煤層瓦斯涌出量增加，同時采空區殘余的煤炭資源也有瓦斯涌出，極易造成上隅角的瓦斯超限，初采期間的瓦斯治理是關鍵。為此在18506 工作面運料巷及開切眼施工裂隙帶鉆孔，孔徑均為113 mm。

從開切眼以外40 m 開始在運料巷內施工裂隙帶抽采鉆孔，共計4 組24 個鉆孔，在頂板處開孔，孔深51～71 m 不等，具體位置如圖5。

開切眼內高抽巷的投影范圍內施工9 個裂隙帶抽采鉆孔，鉆孔終孔位于18506 高抽巷內，孔深為82～117 m 不等。

圖5 裂隙帶鉆孔位置示意圖

3.5 其他輔助技術措施

（1）加強重點區域管理

除工作面上隅角外，要加強乳化液泵站、采空區、采煤機及其他電氣設備處瓦斯濃度的檢查，同時對抽采異常的鉆孔、檢查孔等重點管理。

（2）加強監測監控

在18506 工作面安裝KJ-90NB 型監控系統，通過屏蔽通信電纜與地面調度室連接。同時在工作面兩巷及端頭安設分站及傳感器，全面監測工作面瓦斯、一氧化碳等的濃度情況，全天24 h 不間斷監控。

（3）合理通風

通風是降低工作面瓦斯濃度的最有效、最直接和最經濟的方法。在工作面兩巷及下山的合理位置設置采區測風站和18506 采煤工作面臨時測風站，定時測風。當監測到工作面瓦斯濃度出現異常時，及時調節風量，加大測風頻率，確保風量充足。

4 應用效果

馬蘭礦18506 工作面回采期間實際配風量約為2260 m3/min，從工作面開切眼開始，風量一直穩定在2200 m3/min 左右。工作面兩巷的順層鉆孔中抽采瓦斯的平均濃度保持在25%左右，單孔流量約為0.01 m3/min。高抽巷中的瓦斯抽采濃度相對較低，為20%左右。上隅角瓦斯體積分數低于0.7%，回風流中瓦斯體積分數低于0.4%，整個工作面回采過程中未發生瓦斯超限現象。

5 結論

（1）馬蘭礦8 號煤的瓦斯涌出來源主要是本煤層，利用分源法預測18506 工作面回采期間的絕對瓦斯涌出為35.6 m3/min，需進行抽采。

（2）對比兩種瓦斯治理措施，結合馬蘭礦18506 工作面的實際情況，決定采用順層抽采、高抽巷抽采和裂隙帶抽采等多種方式聯合抽采瓦斯。

（3）在瓦斯抽采的基礎上，通過采取加強現場管理及監測監控等措施，實現了18506 工作面的安全回采，可為類似條件下的瓦斯治理提供參考。