馬蘭礦18502 工作面以孔代巷瓦斯抽采技術研究

馬 勇

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

0 引 言

由于我國多煤、少氣、少油的能源賦存結構，煤炭在一次能源消費和產出中占據50%以上的比重，長期以來是最主要的能源。而我國井工煤礦絕大多數是瓦斯、高瓦斯礦井。瓦斯是煤礦生產中最主要的災害之一，因其引發的安全事故是我國礦井最嚴重的事故之一[1]。目前防治瓦斯的有效方法是在采煤工作面開采前或開采過程中將瓦斯抽出，降低瓦斯涌出量，達到避免工作面瓦斯超限的效果，臨近層抽采、高位裂隙帶抽采、高抽巷抽采等等都是瓦斯抽采的重要措施[2]。但實際生產中發現這些措施依然存在較多問題，如高抽巷工作量大成本高、瓦斯涌出量小于30 m3/min 時無法發揮作用等[3]。本文針對馬蘭礦18502 工作面瓦斯抽采過程中存在的問題提出了改進措施，成功實現了“以孔代巷”的技術路線，瓦斯抽采效果顯著，解決了工作面瓦斯超限問題。

1 馬蘭礦18502 工作面概況

馬蘭煤礦是隸屬于西山煤電集團公司的國有重點大型現代化礦井，設計年生產能力400 萬t。18502工作面位于馬蘭礦910 水平，是南五下組煤采區的第4 個回采工作面，采區總面積5.64km2，可采儲量1 242.2 萬t。采區東北側為馬蘭礦下銜接水平，東南側為屯蘭河床及下銜接水平；西南側為南六采區，西北側為南一和南三采區。

18502 工作面煤層厚度4.20～4.94 m，平均4.51 m，走向長1 197 m，傾斜長261 m，面積312 417m2。煤層特征如表1 所示，頂底板情況如表2 所示。該工作面采用“一面四巷”，分別為：輔運巷、皮帶巷、高抽巷和底抽巷。輔運巷里程442～466 m 預計揭露X2三維勘探陷落柱，里程638～714 m 預計揭露S91 陷落柱，該陷落柱為2 號煤工程揭露控制，切眼里程16～98 m 東北側最小間隔33.6 m 為S72 陷落柱（間距最近位于里程61 m 處），S91 和S72 陷落柱在2號煤層揭露中均未發現含導水情況，施工過程中可能還有新的隱伏陷落柱揭露。

表1 煤層特征表

表2 煤層頂底板情況表

2 工作面瓦斯抽采現存問題

馬蘭礦南五下組煤采區屬按煤與瓦斯突出區域管理, 參照鄰近18504 工作面回采期間及18504 掘進工作面掘進期間的瓦斯涌出情況結合瓦斯鑒定參數分析，預計預抽后18502 工作面掘進期間絕對瓦斯涌出量1.8 m3/min，高抽巷掘進期間絕對瓦斯涌出量1.2 m3/min；18502 回采時工作面絕對瓦斯涌出量為39.94 m3/min，相對瓦斯涌出量7.09 m3/t，其中本煤層瓦斯涌出量27.55 m3/min，占瓦斯涌出總量的68.98%，鄰近層瓦斯涌出量12.39 m3/min，占瓦斯涌出總量的31.02%。

工作面采用“U”型通風系統，即皮帶巷進風，輔運巷回風。因工作面絕對瓦斯涌出量大于5 m3/min，根據規定工作面必須進行瓦斯抽采，根據《煤礦安全規程》規定工作面采用本煤層抽采、底抽巷下鄰近層抽采、高抽巷抽采、上隅角懸管抽采。預計工作面回采期間抽采后風排瓦斯涌出量為9 m3/min。

18502 工作面目前利用輔運巷、皮帶巷和底抽巷分別進行本煤層瓦斯抽采和下鄰近煤層抽采；利用懸管和措施巷鉆場裂隙帶鉆孔、高抽巷分別對工作面上隅角和裂隙帶進行瓦斯抽采。其中針對工作面頂板裂隙帶瓦斯采用兩個鉆場抽采，1 號鉆場設計鉆孔水平投影740 m，現1-1 號鉆孔已施工至600 m。但是在施工期間發現鉆孔涉及不甚合理，長度較長，且正在穿經陷落柱，鉆孔施工到位以及成孔難度大，進度緩慢，嚴重影響抽采效果。

圖1 瓦斯抽采改進方案示意圖

3 瓦斯抽采方案改進及效果評價

近年來“以孔代巷”瓦斯治理思路因其施工靈活、生產效率高但成本很低等優點受到廣泛應用[4,5]。因此，馬蘭礦針對18502 工作面目前存在的瓦斯抽采問題，結合工作面實際情況提出了改進方案：將利用巷道抽采變更為利用大直徑頂板走向孔配合大直徑采空區抽采鉆孔抽采采空區瓦斯，將底抽巷位置調整到上山方向外錯18502 輔運巷25 m（實體煤柱20 m 位于9 號煤層），利用該巷道施工大直徑采空區抽采鉆孔和下鄰近層鉆孔，同時在18502 輔運巷內布置三個鉆場施工大直徑頂板走向孔。

3.1 鉆孔布置

1）大直徑頂板走向孔：如圖2 所示，在18502 輔運巷里程67 、400 、720 m 處右幫各布置一個鉆場。鉆場規格5.0 m（深）×7.0 m(寬)×巷高，鉆場內布置7 個鉆孔，對18502 工作面裂隙帶及采空區瓦斯進行抽采。鉆孔軌跡平穩后，1 號孔水平投影位于距18502 輔運巷回采幫1 m，垂高（指軌跡穩定后的垂高）為8 m（對應層位：中粒砂巖）；2 號、3 號孔水平投影分別位于內錯18502 輔運巷10 m、20 m，垂高為25 m（對應層位：砂質泥巖）；4 號、6 號孔水平投影分別位于內錯18502 輔運巷30 m、50 m，垂高為45 m（對應層位：粉砂巖）；5 號、7 號孔水平投影分別位于內錯18502 輔運巷40 m、60 m，垂高為50 m（對應層位：粉砂質泥巖）。所有鉆孔均選用120mm 鉆頭開孔，二次擴孔至170 mm，最終擴至203 mm。鉆場鉆孔沿工作面水平投影孔深470 m。先進行7 號鉆孔的施工，詳細記錄巖層情況，若鉆孔軌跡平穩時對應巖層出現堵孔預兆，則將對應鉆孔的垂高（軌跡穩定后的垂高）向下調整至最近的穩定巖層，使鉆孔軌跡平穩在該巖層中。

圖2 大直徑頂板走向孔平面示意圖

2）大直徑采空區抽采鉆孔：在瓦斯鑒定巷內施工大直徑采空區抽采鉆孔，從巷道里程1 190 m 至110 m 處向輔運巷施工鉆孔，鉆孔方向與巷道回采幫相垂直，每2 個鉆孔之間間距為30 m，共布置37個鉆孔（鉆孔編號1 號-37 號），鉆孔開孔距巷道底板1.1 m，最后一個鉆孔的位置為巷道頂板和18502輔運巷保險幫之間的夾角附近，鉆孔深度為23～24 m，均選用153 mm 鉆頭開孔，二次擴孔至500 mm，鉆孔總進尺867m。

3）下鄰近層鉆孔：在瓦斯鑒定巷內施工下鄰近層鉆孔，鉆孔的布置范圍從巷道里程1 189m 至89 m，總共施工鉆孔221 個（鉆孔編號1 號-221 號），鉆孔施工高度距離巷道地面1.3～1.5 m，每2 個鉆孔之間間隔5 m，每個鉆孔深度為282 m，孔徑為113 mm，施工方向和巷幫相互垂直，傾角和煤層傾角相同。

3.2 封孔工藝

1）大直徑頂板走向孔：如圖3 所示，采用袋裝聚氨酯封孔，鉆孔施工完畢后，鉆機及時向孔內推入規格3 m 4 寸PVC 套管（全程使用PVC 管，下套管深度以套管底端進入穩定巖層為準）。在套管距孔口0.5、3、5、7 m 處分別捆綁一道封孔膠，每道封孔膠不少于4 袋，封孔深度6.6 m。待封孔膠充分反應后，在孔口200 mm 段用水泥砂漿進行固孔。若反應結束后孔口段不足200 mm 時，應用工具掏入200 mm 后再進行砂漿封孔。

圖3 大直徑頂板走向鉆孔封孔示意圖

2）大直徑采空區抽采鉆孔：采用袋裝聚氨酯封孔，鉆孔施工完畢后，鉆機及時向孔內推入規格0.8×426mm 套管（全程下套管），封孔長度6 m，即在鉆孔開孔及終孔側各封3m，為了避免護管內因碰撞晃動而影響封孔質量，降低抽采效果，向孔口處灌注水泥砂漿用以固定護管固定。封孔工藝見圖4。

圖4 大直徑采空區抽采鉆孔示意圖

3.3 抽采效果

采用上述“以孔代巷”思路布置的瓦斯抽采鉆孔后，對18502 工作面回采期間的瓦斯絕對涌出量、抽采量進行了測算。兩巷本煤層瓦斯抽采量3.4 m3/min，底抽巷下鄰近層瓦斯抽采量3.25 m3/min，大直徑頂板走向孔抽采量11.98 m3/min，大直徑采空區抽采鉆孔抽采量2.62 m3/min，合計瓦斯抽采21.25 m3/min，工作面瓦斯抽采率70.25%，瓦斯抽采后風排瓦斯量9 m3/min。工作面瓦斯濃度降低至0.13%～0.22%，上隅角瓦斯濃度降低至0.17%～0.38%，回風流內的瓦斯濃度降低至0.21%～0.31%，瓦斯濃度顯著降低，從根本上解決了瓦斯超限問題。

4 結 論

本文分析了馬蘭礦18502 工作面瓦斯抽采過程中存在的巷道抽采效果不佳、鉆孔布置不合理等問題，提出了利用大直徑頂板走向孔、大直徑采空區抽采鉆孔以及下鄰近層鉆孔代替現有抽采巷道的瓦斯抽采改進方案，將工作面瓦斯濃度降低至0.13%～0.22%，上隅角瓦斯濃度降低至0.17%～0.38%，回風流內的瓦斯濃度降低至0.21%～0.31%，避免了高成本巷道施工、鉆孔成孔效果差等現象，有效實現了瓦斯高效抽采，解決了工作面開采過程中的瓦斯超限問題。