摘要：隨著礦井的延伸和技術(shù)的發(fā)展，大同礦區(qū)開采石炭二疊系特厚煤層的千萬(wàn)噸級(jí)礦井快速發(fā)展，以塔山煤礦、同忻煤礦為代表的礦井在開采過(guò)程中普遍面臨著瓦斯超限的問(wèn)題，為了治理同忻煤礦瓦斯超限問(wèn)題，在采煤工作面試驗(yàn)了高位鉆孔抽采、高位巷抽采等瓦斯治理方法，并對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析與模擬研究，確定了高位巷抽采是適合同忻煤礦特厚煤層開采的瓦斯治理方法。

關(guān)鍵詞：特厚煤層；高位鉆孔；高位巷；抽采參數(shù)；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）23-0091-03

特厚煤層為厚度大于8m的煤層，近年來(lái)，大同礦區(qū)的侏羅系煤層資源逐漸枯竭，大部分礦井向下延伸開采石炭二疊系煤層，煤層厚度在1.63～29.41m之間，平均煤厚為15.72m。由于埋深增加、煤層較厚且開采強(qiáng)度增大（工作面年產(chǎn)量達(dá)到1000萬(wàn)噸），瓦斯超限成為制約礦井安全生產(chǎn)的瓶頸。本文通過(guò)研究同忻煤礦開采石炭系3～5號(hào)合并煤層的瓦斯涌出情況，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、模擬研究等手段分析研究不同瓦斯治理方法對(duì)治理效果的影響，選擇適合同忻煤礦特厚煤層開采所需的瓦斯治理方法，并得優(yōu)選后的瓦斯治理方法進(jìn)行抽采參數(shù)優(yōu)化，使瓦斯治理的效率最

大化。

同忻煤礦是同煤集團(tuán)2006年興建的千萬(wàn)噸級(jí)現(xiàn)代化礦井，礦井主采煤層3～5號(hào)煤層的厚度為0～35.31m，平均13.67m，采煤方法為長(zhǎng)壁式采煤法，全部陷落法管理頂板，回采工藝為綜采放頂煤，單面產(chǎn)量約為4.5Mt/a左右。工作面的推進(jìn)速度在6m/d的情況下，瓦斯涌出量達(dá)40m3/min，礦井現(xiàn)有的抽采系統(tǒng)最大抽采能力可達(dá)1000m3/min，可利用現(xiàn)有的抽采系統(tǒng)，試驗(yàn)抽采方法。

1 瓦斯抽采方法優(yōu)選

礦井的瓦斯抽采方法直接決定著瓦斯抽采效果，對(duì)瓦斯治理工作有著直接的影響。由于工作面瓦斯主要來(lái)源為采空區(qū)瓦斯涌出，針對(duì)工作面的瓦斯涌出情況，設(shè)計(jì)了鉆孔抽采和高位巷道抽采兩種方法采空區(qū)瓦斯，并分別進(jìn)行了試驗(yàn)。

1.1 鉆孔抽采方法治理工作面瓦斯

鉆孔抽采瓦斯的方法是在工作面回風(fēng)巷內(nèi)設(shè)置鉆場(chǎng)，間距為40～50m，在各鉆場(chǎng)內(nèi)迎著工作面推進(jìn)方向打雙排扇形鉆孔，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)打6個(gè)扇形鉆孔，鉆孔的終孔點(diǎn)位置距回風(fēng)巷的水平距離為8～32m，距煤層頂板的垂直距離為55m，利用鉆孔將采空區(qū)高頂?shù)母邼舛韧咚钩槌?，降低上隅角區(qū)域的瓦斯涌出量，達(dá)到治理效果。鉆孔的布置示意圖如圖1所示：

鉆孔施工完成后，將鉆孔連接到瓦斯抽采系統(tǒng)，并連續(xù)觀測(cè)抽采數(shù)據(jù)，以此為基礎(chǔ)分析鉆孔抽采方法的治理效果。

表1中的數(shù)據(jù)為抽采效果最好的一個(gè)鉆孔連續(xù)6天的抽采數(shù)據(jù)。其中抽采的混合流量最大為1.78m3/min，最大純量為0.57m3/min。1個(gè)鉆場(chǎng)共6個(gè)鉆孔，最大的抽采純量為3.42m3/min，對(duì)減少采空區(qū)瓦斯涌出會(huì)有一定的效果，但對(duì)工作面上隅角與回風(fēng)流的瓦斯超限起不到明顯作用。在遇見較大地質(zhì)構(gòu)造或煤層瓦斯含量增大時(shí)，可采用高位鉆孔抽放措施。

鉆孔瓦斯?jié)舛鹊汀⒘髁啃?，是單孔抽采量不高的主要原因，這也表明采空區(qū)高冒空間內(nèi)的瓦斯?jié)舛仍?5%～20%之間，傳統(tǒng)的小流量、高濃度的鉆孔抽采治理方法不能適應(yīng)并解決同忻煤礦特厚煤層工作面的瓦斯超限問(wèn)題。

1.2 高位巷抽采方法治理瓦斯

總結(jié)出鉆孔抽采試驗(yàn)失敗的原因主要是抽采總流量小，因此礦方?jīng)Q定試驗(yàn)大流量的高位巷抽采。高位巷沿2號(hào)煤底板布置，內(nèi)錯(cuò)20m，距回風(fēng)巷頂板10～20m，這個(gè)位置正處在采空區(qū)冒落帶內(nèi)。將高位巷密閉并埋入抽采管路，通過(guò)抽采系統(tǒng)將采空區(qū)冒落帶內(nèi)的瓦斯抽出，截流涌向上隅角和回風(fēng)流的瓦斯，高位巷的布置示意圖如圖2所示：

高位巷密閉抽放后，抽采系統(tǒng)以最大能力工作，抽采量維持在900～1000m3/min之間，工作面瓦斯超限問(wèn)題得以解決。對(duì)高位巷的治理效果進(jìn)行了6個(gè)月的觀測(cè)，觀測(cè)的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖3和圖4所示：

從圖中可以看出，高位巷抽出的純瓦斯量為25～60m3/min，平均抽放瓦斯量38m3/min。工作面上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.3～0.7%之間；工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.4%以下；工作面120～130號(hào)支架之間后溜通道放煤時(shí)瓦斯?jié)舛冉档?.5%以下，消除了放煤時(shí)瓦斯超限的現(xiàn)象。表現(xiàn)出高位巷道密閉采空區(qū)瓦斯具有明顯效果，能夠解決采空區(qū)瓦斯涌出造成工作面上隅角和回風(fēng)流瓦斯超限問(wèn)題。

綜合以上論述，對(duì)比鉆孔抽采方法與高位巷抽采方法可以看出，在工作面瓦斯涌出量較大的情況下，鉆孔的單孔抽采量過(guò)小，鉆孔數(shù)量嚴(yán)重不足是鉆孔抽采達(dá)不到治理效果的主要原因。由于綜放工作面的推進(jìn)度在4～6m/d之間，鉆孔的抽采有效期僅能達(dá)到8～10d，鉆孔的施工周期被嚴(yán)重壓縮，造成了抽放鉆孔數(shù)量嚴(yán)重不足，總抽采量達(dá)不到瓦斯治理的要求。因此試驗(yàn)了抽采較大的高位巷的抽采方法，并取得了預(yù)期的效果。

2 高位巷抽采方法抽采參數(shù)的優(yōu)化研究

高位巷抽采方法在治理瓦斯超限方面取得了較好的效果，其抽采參數(shù)尚存在可以優(yōu)化的地方，以達(dá)到提高抽采效率，節(jié)能降耗的效果。

2.1 高位巷抽采方法的模擬研究

高位巷抽采的瓦斯主要是采空區(qū)內(nèi)高頂處的瓦斯，采空區(qū)內(nèi)部的抽采和瓦斯參數(shù)無(wú)法直接測(cè)定，只能間接地根據(jù)抽采系統(tǒng)瓦斯參數(shù)、工作面瓦斯參數(shù)推算出抽采系統(tǒng)影響半徑、抽采區(qū)域瓦斯?jié)舛确植?、流?chǎng)等情況。為了更直觀地觀測(cè)到采空區(qū)內(nèi)的瓦斯情況，利用數(shù)值模擬的手段，模擬出整個(gè)采空區(qū)內(nèi)的瓦斯分面情況并對(duì)抽采效果進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，同時(shí)為抽采參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

工作面不采取抽采措施時(shí)的采空區(qū)模型參數(shù)見表2：

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得到末采取抽采措施下的采空區(qū)氣體濃度分布，如圖5所示：

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)和氣體分布與采空區(qū)內(nèi)冒落巖石的壓實(shí)程度有關(guān)。臨近工作面的采空區(qū)內(nèi)，垮落巖體未受或只受到很小的巖石應(yīng)力影響，孔隙空間較大，漏風(fēng)量大，瓦斯的稀釋和運(yùn)移程度較高，濃度小于5%，離工作面較近的地方大約在3%左右；遠(yuǎn)離工作面的區(qū)域受載荷影響，空隙空間受到壓擠，瓦斯?jié)舛戎饾u增大，一般在5%～15%之間；壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到90%以上。

采用高位巷抽采時(shí)的數(shù)據(jù)模擬基本參數(shù)與以上相同，區(qū)別是在工作面設(shè)置內(nèi)錯(cuò)式高位巷，并設(shè)置了高位巷的抽采量為1000m3/min。通過(guò)計(jì)算得出了高位巷抽采時(shí)的氣體濃度分布圖，如圖6所示：

根據(jù)模擬結(jié)果可以看出，由于高位巷抽采的的泄排和引流作用，使抽排口附近區(qū)域的瓦斯稀釋、運(yùn)移程度增大，瓦斯?jié)舛认啾容^低，最高只有2%，一般在1%左右，離工作面較近的地方瓦斯?jié)舛刃∮?%；遠(yuǎn)離工作面的載荷影響區(qū)受到的影響較小，瓦斯?jié)舛炔淮?，一般?%～12%之間；壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)域基本不受抽采的影響，瓦斯?jié)舛然静话l(fā)生變化。

2.2 瓦斯抽采參數(shù)的優(yōu)化研究

從瓦斯抽采的目標(biāo)來(lái)看，只要抽采系統(tǒng)能保證上隅角和回風(fēng)流瓦斯在正常生產(chǎn)期間不超限，就達(dá)到了瓦斯抽采的目的，并不是抽采量越大越安全，抽采的同時(shí)會(huì)增大采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)量，在容易自燃煤層會(huì)有很大的安全隱患，因此合理確定瓦斯的抽采參數(shù)，不僅可以節(jié)能降耗，還能降低煤層自燃發(fā)火的發(fā)生概率。

從數(shù)值模擬的結(jié)果可以看出，只要抽采影響半徑將上隅角區(qū)域包圍，就可以將流向上隅角區(qū)域的瓦斯通過(guò)高位巷道分流到抽采系統(tǒng)中。由于抽采影響半徑包括的范圍大部分在采空區(qū)內(nèi)部無(wú)法直接測(cè)得，因此通過(guò)對(duì)工作面上隅角區(qū)域、后遛尾、回風(fēng)流的瓦斯進(jìn)行測(cè)定，間接的分析出抽采影響半徑：抽采量在500～1000m3/min之間時(shí)，抽采影響半徑大于等于20m；抽采量在400～500m3/min之間時(shí)，抽采影響半徑約為15m；抽采量300m3/min時(shí)，抽采影響半徑約為10m。

正常開采的情況下（工作面非周期來(lái)壓）工作面瓦斯增大范圍是工作面上隅角區(qū)域向進(jìn)風(fēng)流方向延伸60m，其中40m范圍是瓦斯易超限范圍，如引排負(fù)壓影響范圍到達(dá)20m，就可以解決工作面瓦斯超限問(wèn)題，因此抽采量達(dá)到500m3/min就可以滿足工作面正常生產(chǎn)時(shí)瓦斯不超限。

為了驗(yàn)證對(duì)抽采半徑的推算，將抽采系統(tǒng)的抽采量調(diào)整為500～550m3/min，并觀測(cè)29天的時(shí)候。期間抽采量平均為530m3/min，上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.16%～0.3%之間，平均為0.22%；回風(fēng)流瓦斯維持在0.12%～0.23%之間，平均為0.17%。完全可以保證工作面的瓦斯不超限。觀測(cè)數(shù)據(jù)的曲線如圖7所示：

3 結(jié)語(yǔ)

（1）同忻煤礦高瓦斯涌出量工作面的瓦斯治理工作應(yīng)以大流量抽采為指導(dǎo)思想，在此基礎(chǔ)上采取措施嘗試提高抽采濃度。

（2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)與數(shù)值模擬研究認(rèn)為，高位巷抽采是適合同忻煤礦的瓦斯治理手段，應(yīng)進(jìn)一步開展研究工作，使高位巷抽采的參數(shù)更加合理。

（3）本文僅僅是間接地推算出采空區(qū)內(nèi)抽采半徑的影響范圍，待觀測(cè)手段成熟時(shí)應(yīng)實(shí)際測(cè)量出不同抽采流量對(duì)應(yīng)的影響半徑，使抽采工作進(jìn)一步合理化。

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作者簡(jiǎn)介：劉寶志（1983—），男，內(nèi)蒙古通遼人，就讀于太原理工大學(xué)，同煤國(guó)電同忻煤礦通風(fēng)區(qū)書記，工程師，研究方向：礦井瓦斯防治、防滅火。