復雜地質構造掘進工作面瓦斯治理技術研究

馬躍華 張曉東 孫永康

（1.山西壽陽段王煤業集團有限公司，山西 晉中 045400；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110000）

瓦斯是嚴重威脅煤礦安全生產的重要因素之一，瓦斯事故每年都會造成大量的人員傷亡和財產損失。地質構造對地應力、瓦斯和煤巖物理力學性質有重要的影響，復雜的地質構造特別容易引起煤與瓦斯突出、瓦斯突然大量涌出等瓦斯災害。對于煤與瓦斯突出事故，瓦斯壓力是突出的主要動力，煤層的松軟和破碎是突出的有利條件，采掘活動是突出的誘發原因，而地質構造是引起突出的關鍵因素。

1 礦井概況

段王煤礦150404工作面位于太原組中部，煤厚3.55～5.02m，平均4.40m，煤厚變化由西往東漸厚，不含夾石。頂板為砂質泥巖或泥巖，局部為粉砂巖或中、細砂巖，底板為中、細粒砂巖和泥巖，局部為砂質泥巖。15號煤層最大瓦斯含量為10.40m3/t，煤層透氣性較差，有利于瓦斯儲存。工作面巷道掘進過程中所遇到的地質構造為封閉型地質構造，不利于瓦斯的釋放，在掘進過程中，發現多處巖石巷道接近、揭露斷層時瓦斯涌出極不正常，對巷道施工構成極大的安全威脅。

2 瓦斯治理技術

2.1 邁步鉆場鉆孔抽采瓦斯

巷道掘進過程中，在兩側布置邁步鉆場，擴大卸壓松動圈范圍，增加煤體透氣性系數，抽放卸壓瓦斯，攔截巷道周邊煤體向掘進巷道釋放瓦斯。鉆孔還可以探測掘進面前方的地質構造，發現和掌握前方煤體瓦斯情況。如圖1所示，同側相鄰鉆場間距60m，鉆孔超前掘進工作面不小于20m，在鉆場中施工長度為80m的鉆孔，鉆孔孔徑為Φ89mm，傾角與巷道軸向線傾角一致。

圖1 瓦斯抽放邁步鉆場

2.2 掘進工作面短抽短掘

由于段王煤礦150404工作面地質構造較多，煤層起伏較大，在巷道掘進工作面施工長鉆孔往往會因為遇到地質構造或煤層頂底板而被迫停止，而且施工相同長度鉆孔時長鉆孔施工方法將浪費更長時間。為更有效地解決掘進過程的落煤瓦斯涌出，在掘進工作面采用短抽短掘的瓦斯治理方式，提前預抽工作面前方煤體中的瓦斯。

煤體的透氣性系數 與圍巖應力和瓦斯壓力的差值呈負指數關系：

式中：

K0-回歸系數；

β-回歸系數；

σ-圍巖應力，MPa；

p-瓦斯壓力，MPa。

應用FLAC3D數值模擬軟件對施工鉆孔后周圍煤體的應力變化進行模擬，如圖2所示，掘進工作面前方煤體施工鉆孔后，沿煤層水平方向形成了相連的水平應力卸壓區，沿煤層垂直方向則形成了較大范圍的垂直應力卸壓區，圍巖應力較瓦斯壓力卸壓更加明顯，極好地增大了煤體的滲透率 ，將大大增加前方煤體的瓦斯抽放和釋放效率。

短抽短掘的瓦斯治理措施中鉆孔施工如圖3所示，使用兩臺風動鉆機于每天八點班在掘進工作面前方煤體內施工17個Φ75mm鉆孔，平均孔深10m，邊幫孔終孔位置位于巷道輪廓線外5m處。然后對鉆孔進行封孔、并網，抽放約4h。每天三八制，剩余兩班分別允許掘進4m，每天共計掘進8m。

根據現場實測數據顯示，平均每孔瓦斯純流量為0.088m3/min，掘進面每日抽放純瓦斯量約為443m3，通過測量，抽放煤體的殘余瓦斯量大都集中在6.4～7.2m3/t。短抽短掘的瓦斯治理措施彌補了邁步鉆場鉆孔和平行鉆孔抽放方式的缺陷，明顯減少掘進工作面前方煤體中的瓦斯，杜絕了巷道掘進過程中的瓦斯報警事故。

3 效果分析

段王煤礦150404工作面截止到2017年3月底共抽采瓦斯2.06×106m3，極大地減少了掘進工作面前方煤層中的瓦斯含量。采用局部預測預報的方法每隔10m對掘進工作面進行效果檢驗，鉆屑瓦斯解吸指標均小于150Pa，鉆孔最大鉆屑量均小于4.0kg/m，瓦斯抽放取得了良好的效果。每個掘進工作面的掘進速度由先前的平均135m/月提高到現在的平均230m/月，極大地消除了瓦斯報警對巷道掘進的影響。

圖2 鉆孔周圍煤體的應力分布

圖3 短抽短掘鉆孔布置

4 結論

通過邁步鉆場抽采和掘進工作面短抽短掘瓦斯治理措施，對掘進工作面進行掘前預抽、邊掘邊抽，大大減小掘進過程中煤體瓦斯涌出量，保證巷道安全快速掘進。段王煤礦四采區巷道已經安全掘進超過1800m，瓦斯治理取得了良好效果。