翟國(guó)華

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司 ，山西 方山 033100）

1 工程概況

圖1 3107工作面示意圖

陽(yáng)煤集團(tuán)新元礦為煤與瓦斯突出礦井，其絕對(duì)瓦斯涌出量為196.727m2/min，相對(duì)瓦斯涌出量為43.27m3/t。本次研究對(duì)象為3107工作面，其西側(cè)為3106工作面采空區(qū)，工作面主采3號(hào)煤層，3號(hào)煤層均厚2.64m，平均傾角4°，屬于賦存穩(wěn)定的近水平煤層，煤層上覆直接頂為厚度3～6m的砂質(zhì)泥巖為主，基本定以厚度為2～3m的中粒粉砂巖為主，下覆底板巖層為砂質(zhì)泥巖，其平均厚度為2.98m。3107工作面各巷道均為沿頂掘進(jìn)巷道，采用Y型通風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)巷和輔助進(jìn)風(fēng)巷為進(jìn)風(fēng)巷道，輔助進(jìn)風(fēng)巷采用沿空留巷技術(shù)，隨采隨保留，污風(fēng)沿輔助進(jìn)風(fēng)巷留巷進(jìn)入回風(fēng)巷回風(fēng)，其采掘工程平面圖如圖1所示。

2 Y型通風(fēng)系統(tǒng)下采空區(qū)瓦斯分布特征

2.1 模型建立

根據(jù)新元礦3107工作面上覆巖層的物理力學(xué)參數(shù)，同時(shí)借鑒類(lèi)似礦井經(jīng)驗(yàn)[1]，通過(guò)Fluent軟件建立3107綜采工作面Y型通風(fēng)系統(tǒng)模型，來(lái)研究本工作面在Y型通風(fēng)系統(tǒng)下的采空區(qū)瓦斯分布特征。在模型中將各種巷道簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，工作面長(zhǎng)度取240m，采空區(qū)走向長(zhǎng)度為350m，高度為煤層厚度2.64m；主、副進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷高度均為3m，寬度取5m、4.8m、4.2m，巷道長(zhǎng)度20m；沿空留巷高度和寬度分別為3m和5.2m，長(zhǎng)度取350m；工作面上方垮落帶和裂隙帶的高度分別為10m和26m。在模擬中壓力為指向z軸負(fù)方向的一個(gè)大氣壓，9.8m/s2。主、副進(jìn)風(fēng)巷的入口邊界條件設(shè)置為2.30m/s、0.69m/s的速度入口，進(jìn)風(fēng)風(fēng)流由0.79的氮?dú)夂?.1的氧氣組成；回風(fēng)巷出口邊界條件設(shè)置為自由流出。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

如圖2為沿工作面推進(jìn)方向在x軸上，x=10m、40m、100m、200m時(shí)截取采空區(qū)的瓦斯?jié)舛确植钾Q直截圖。

圖2 沿工作面推進(jìn)方向x=10m、40m、100m、200m時(shí)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

觀察圖2發(fā)現(xiàn)，隨著采空區(qū)深度的不斷增加，瓦斯?jié)舛纫膊粩嘣黾?，?dāng)采空區(qū)深度達(dá)到一定距離時(shí)，瓦斯?jié)舛仍鏊倬徛②呌诜€(wěn)定。在采空區(qū)距工作面0～30m范圍內(nèi)，由于受工作面進(jìn)風(fēng)流影響，該范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛容^低，約5%，且變化不明顯，回風(fēng)巷一側(cè)的瓦斯?jié)舛葍H為0.5%左右；在采空區(qū)距工作面30～200m范圍內(nèi)，隨著距工作面距離的增加，采空區(qū)瓦斯?jié)舛妊杆偕?，并且回風(fēng)巷一側(cè)的瓦斯?jié)舛纫惭杆偕仙?；在采空區(qū)距工作面200m以外的范圍內(nèi)，隨著距工作面距離的增加，采空區(qū)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最大值并趨于穩(wěn)定。

圖3 沿工作面不同寬度時(shí)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

圖3 所示為沿工作面不同寬度y=20m，y=120m，y=220m時(shí)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律。觀察圖3可發(fā)現(xiàn)，隨著沿工作面寬度方向距離的不斷增加，瓦斯?jié)舛妊杆僭龃?。且回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛冗h(yuǎn)大于進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛?，這是由于Y型通風(fēng)系統(tǒng)和沿空留巷的密閉使大量的瓦斯在通風(fēng)壓力的作用下，積聚在沿空留巷密閉處及上部區(qū)域所致。雖然這樣的方式可以有效降低上隅角瓦斯?jié)舛?，但是?huì)使大量的瓦斯在采空區(qū)積聚造成安全隱患，因此需要采用高位鉆孔抽放和采空區(qū)埋管抽放瓦斯的方法來(lái)接觸該安全隱患。

圖4 距底板不同高度時(shí)采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

圖4 為距底板不同高度 z=0m，z=2.5m，z=8m，z=20m時(shí)采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律。觀察圖4發(fā)現(xiàn)，隨著距底板高度的不斷增加，瓦斯?jié)舛瓤傮w上呈增大趨勢(shì)。頂板附近的瓦斯?jié)舛却笥诘装甯浇耐咚節(jié)舛取Ｔ诰嗟装?～10m范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛容^低；在距底板10～20m范圍內(nèi)，由于到達(dá)覆巖裂隙帶，所以隨著高度的增加瓦斯?jié)舛妊杆偕撸辉诰嗟装?0m以上的范圍內(nèi)，裂隙逐漸減少，瓦斯?jié)舛仍龇冃?，并趨于穩(wěn)定。

綜上所述，當(dāng)工作面由原來(lái)的U型通風(fēng)改為Y型通風(fēng)方式時(shí)，可以有效緩解工作面上隅角瓦斯?jié)舛冗^(guò)高問(wèn)題，然而有新的問(wèn)題產(chǎn)生，即在沿空留巷密閉墻及其上部空間內(nèi)有瓦斯積聚現(xiàn)象產(chǎn)生，對(duì)工作面安全生產(chǎn)造成很大威脅，基于上述分析，采取本煤層抽采、高位鉆孔抽放與采空區(qū)埋管抽放相結(jié)合的方式來(lái)對(duì)留巷內(nèi)瓦斯進(jìn)行治理。

3 瓦斯綜合治理技術(shù)[2-3]

3.1 采前本煤層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采

沿3107進(jìn)風(fēng)巷和3107輔助進(jìn)風(fēng)巷全長(zhǎng)布置本煤層瓦斯抽采鉆孔，鉆孔間距按1m計(jì)，鉆孔直徑取120mm，鉆孔深度取130m，兩巷內(nèi)的鉆孔形成重疊交叉，重疊交叉長(zhǎng)度為20m，累計(jì)共布置1500個(gè)鉆孔，通過(guò)布置本煤層鉆孔對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，以降低工作面回采過(guò)程中的瓦斯涌出量，具體如圖5所示。

圖5 本煤層鉆孔預(yù)抽瓦斯

3.2 高位鉆孔瓦斯抽采[4]

高位瓦斯抽采鉆孔沿3107回風(fēng)巷進(jìn)行布置，每組分高、低位孔各一個(gè)，高位孔長(zhǎng)度為43m、傾角為42.2°，低位孔長(zhǎng)度為43.6m、傾角為25.5°，各組鉆孔間的孔間距為15m。由相關(guān)資料可知，3107工作面上覆巖層裂隙帶發(fā)育高度為10～330m，因此高位瓦斯抽采鉆孔的終孔垂直高度不應(yīng)低于30m，同時(shí)考慮工作面回采而產(chǎn)生的卸壓角，瓦斯抽采轉(zhuǎn)鉆孔的終孔水平距離應(yīng)超過(guò)3107輔助進(jìn)風(fēng)巷10～30m。瓦斯抽采鉆孔施工可選用ZDY-400L型鉆機(jī)，其鉆頭及鉆桿直徑分別為193mm和73mm，鉆孔施工如圖6所示。

圖6 高位瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

3.3 采空區(qū)埋管抽放瓦斯[5]

為對(duì)工作面采空區(qū)瓦斯進(jìn)行治理，參考相鄰工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，可知距離3107工作面后方不同距離瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)不同的涌出規(guī)律，大致可分為3個(gè)區(qū)域，滯后回采工作面后方0～20m范圍內(nèi)瓦斯大量向后方涌出，但該區(qū)域瓦斯?jié)舛软懚容^低；滯后回采工作面后方20～40m范圍屬于一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，瓦斯?jié)舛认鄬?duì)適中；滯后回采工作面后方40m范圍為采空區(qū)瓦斯滯留區(qū)域，該區(qū)域的瓦斯?jié)舛茸罡?，需要重點(diǎn)進(jìn)行防治。因此，為了將采空區(qū)瓦斯安全高效采出，在滯后回采工作面0～80m范圍由留巷向采空區(qū)布置瓦斯抽放管，瓦斯抽放管埋設(shè)于頂板下方500mm的密閉墻內(nèi)，埋管間隔為15m，瓦斯抽放管直徑和長(zhǎng)度分別為190mm、2500mm，其穿過(guò)密閉墻進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，同時(shí)需要在管口加裝過(guò)濾網(wǎng)和排渣器，可對(duì)破碎煤巖及粉塵起到很好的抑制作用，防止其進(jìn)入抽放管而導(dǎo)致堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，采空區(qū)內(nèi)瓦斯管路布置如圖7所示。通過(guò)布置瓦斯抽采管路數(shù)量及控制管路閥門(mén)開(kāi)啟程度可有效對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯進(jìn)行抽采，對(duì)采空區(qū)瓦斯積聚有很好的控制作用。

圖7 采空區(qū)埋管抽放示意圖

3.4 瓦斯綜合治理效果

表1 三種抽放瓦斯技術(shù)的抽放效果

在3107工作面采用三種瓦斯抽放技術(shù)后，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽采數(shù)據(jù)的整理，繪制如表1所示抽放效果表。采前本煤層鉆孔、高位鉆孔及采空區(qū)埋管三種方法得到的平均瓦斯抽放量分別為3.5m3/min、27.2m3/min、3.13m3/min，三種方法累計(jì)瓦斯抽放量為33.83m3/min，瓦斯的綜合抽放率為53.3%?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)效果表明，在Y型通風(fēng)工作面采取綜合瓦斯抽采措施后，工作面瓦斯?jié)舛瓤梢詫?shí)現(xiàn)明顯降低，濃度基本處于0.4%以下，瓦斯抽采治理效果明顯，基本解決了工作面回采過(guò)程中上隅角、采空區(qū)、回風(fēng)流中瓦斯含量較高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效回采及礦井安全。

4 結(jié) 論

1）通過(guò)Fluent軟件建立3107綜采工作面Y型通風(fēng)模型，研究本工作面在Y型通風(fēng)系統(tǒng)下的采空區(qū)瓦斯分布特征，當(dāng)工作面由原來(lái)的U型通風(fēng)改為Y型通風(fēng)方式時(shí)，可以有效緩解工作面上隅角瓦斯?jié)舛冗^(guò)高問(wèn)題，然而有新的問(wèn)題產(chǎn)生，即在沿空留巷密閉墻及其上部空間內(nèi)有瓦斯積聚現(xiàn)象產(chǎn)生，對(duì)工作面安全生產(chǎn)造成很大威脅，需采取相關(guān)瓦斯治理措施。

2）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)在采取采前鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采、高位鉆孔瓦斯抽采及采空區(qū)埋管抽放瓦斯的綜合治理措施后，工作面瓦斯?jié)舛瓤梢詫?shí)現(xiàn)明顯降低，濃度基本處于0.4%以下，瓦斯抽采治理效果明顯，基本解決了工作面回采過(guò)程中上隅角、采空區(qū)、回風(fēng)流中瓦斯含量較高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效回采及礦井安全。