白硯國(guó)

（山西石港煤業(yè)有限責(zé)任公司山西左權(quán)032600）

1 工程概況

陽(yáng)煤集團(tuán)石港公司是瓦斯突出礦井。15210工作面的基本頂為中粒粉砂巖，厚度為2 m～3 m，底板為2.98 m的砂質(zhì)泥巖。3#煤層平均厚度為2.64 m，傾角為2°～6°，平均4°，屬近水平煤層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、賦存穩(wěn)定，每層中含1～2層泥質(zhì)夾矸，厚度為0.02 m～0.06 m，該煤層以亮煤為主。15210 工作面為綜采工作面，絕對(duì)瓦斯涌出量為63.47 m3/min，該工作面采空區(qū)冒落帶高度為0 m～10 m，裂隙帶高度10 m～30 m?；夭蛇^(guò)程中瓦斯檢測(cè)儀檢測(cè)到工作面上隅角最高瓦斯?jié)舛冗_(dá)到了13.1%，給煤礦安全生產(chǎn)造成了隱患。通過(guò)預(yù)抽降低煤層含氣量，可保證工作面的安全回采并有效的控制瓦斯超限的問(wèn)題。

2 瓦斯運(yùn)移特征分析

2.1 數(shù)值模擬

為了探究回采工作面采空區(qū)瓦斯流動(dòng)性與擴(kuò)散性，建立瓦斯流動(dòng)模型，通過(guò)Fluent軟件對(duì)采空區(qū)瓦斯的移動(dòng)與擴(kuò)散進(jìn)行數(shù)值模擬。巷道內(nèi)的空氣流動(dòng)性與破碎區(qū)分別用Navier-Stokes 方程和Brinkman 方程表示，可以建立瓦斯在回采工作面的流動(dòng)模型[1]，見(jiàn)圖1。

圖1 空氣流動(dòng)模型

2.2 模擬分析

在建立好的模型上，分別模擬抽采前后瓦斯的分布情況，探究頂板高位巖層鉆孔抽采瓦斯的效果。

圖2 瓦斯未抽采時(shí)的濃度分布

由圖2a可以看出，采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯主要集聚在回風(fēng)巷一側(cè)，而在采空區(qū)的中間，瓦斯?jié)舛葎t較低，瓦斯在工作面采空區(qū)分布為兩邊高，中間低的馬鞍狀。在采空區(qū)內(nèi)，瓦斯會(huì)受到工作面進(jìn)風(fēng)的影響，濃度在回風(fēng)一側(cè)明顯升高。由于工作面存在漏風(fēng)的現(xiàn)象，所以在工作面附近的垮落帶瓦斯?jié)舛葧?huì)低。沿著采空區(qū)到工作面方向，瓦斯?jié)舛葧?huì)逐漸降低。

由圖2b 可知，在采空區(qū)內(nèi)，瓦斯?jié)舛戎饕谥胁可?，且回風(fēng)巷附近的濃度比進(jìn)風(fēng)側(cè)濃度積聚明顯。

為降低瓦斯?jié)舛?，提高瓦斯抽取率，決定選用高位巖層鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，為探究方案是否可行，對(duì)其抽采效果進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)抽采前后的模擬效果來(lái)對(duì)比探究抽采方案的可行性。

圖3 瓦斯抽采后的濃度分布

由圖3a 中可知，采空區(qū)的中部瓦斯?jié)舛让黠@降低，這是由于此處正好為高位巖層鉆孔處的終孔處，瓦斯被抽放，濃度大幅度的降低，同時(shí)在回風(fēng)巷的一側(cè)，瓦斯?jié)舛入m然依舊較高，但對(duì)比抽采前濃度下降顯著；工作面上隅角的濃度低于1%，抽采效果極佳。

由圖3b看出，水平方向上，在采空區(qū)中部區(qū)域，瓦斯的總體濃度降低，分布會(huì)隨著鉆孔的終孔位置改變。

3 高位巖層鉆孔抽采工作面采空區(qū)瓦斯

3.1 鉆場(chǎng)的位置

基于現(xiàn)有裝備與礦方實(shí)際情況，結(jié)合抽采經(jīng)驗(yàn)與理論計(jì)算，決定每隔100 m布置一個(gè)高位鉆場(chǎng)，選擇在15210工作面回風(fēng)巷進(jìn)行高位鉆場(chǎng)施工，在距切眼100 m處布置第一個(gè)高位鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)規(guī)格設(shè)計(jì)為寬×高×深=5 m×3 m×6 m。由于煤層頂板為泥巖（泥巖受水膨脹率較高，會(huì)使得圍巖出現(xiàn)較大變形），因此為防止鉆場(chǎng)及鉆孔受?chē)鷰r變形影響導(dǎo)致難以達(dá)成預(yù)定效果，決定在煤層頂板高1.5 m左右處進(jìn)行鉆場(chǎng)作業(yè)，此時(shí)已高出頂板泥巖位置1.3 m，可以消除泥巖受水膨脹對(duì)其的影響。同時(shí)考慮鉆場(chǎng)在巷道的施工量，將鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)在回風(fēng)巷道側(cè)30 m，通過(guò)聯(lián)絡(luò)巷相連，聯(lián)絡(luò)巷的傾角在30°左右，利于施工。鉆孔布置如圖4所示。

圖4 工作面鉆場(chǎng)布置方案示意

高位鉆場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷設(shè)計(jì)為：15210 工作面高位鉆場(chǎng)聯(lián)絡(luò)巷，為矩形斷面，寬×高為3×3 m，截面面積9 m2。每個(gè)聯(lián)絡(luò)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度30 m，共設(shè)計(jì)9 個(gè)。聯(lián)絡(luò)巷垂直于回風(fēng)順槽傾角為30°上坡掘進(jìn)，掘進(jìn)到距離煤層頂板1.5 m處開(kāi)始施工高位巖石鉆場(chǎng)。

3.2 確定鉆孔的終孔位置

由于瓦斯的密度比空氣小，因此容易在采空區(qū)上方聚積，且大部分瓦斯存在于圍巖裂隙之中。為了盡可能的抽采瓦斯，需要將鉆孔的終端布置在圍巖裂隙多的地方，所以鉆孔主要布置在圍巖破碎區(qū)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合理論計(jì)算[3]可以得出，工作面采空區(qū)上方破裂區(qū)高度為16.55 m，所以最終決定在距15210工作面頂板3 m～60 m 進(jìn)行終孔布置，為了提高抽采效果，將鉆終孔位置布置在距煤層頂板3 m～15 m、15 m～30 m、30 m～60 m，可以對(duì)破碎帶內(nèi)瓦斯進(jìn)行全方位的抽采，完成瓦斯抽采作業(yè)。

3.3 鉆孔布置與封孔

(1)鉆孔布置

基于上述鉆場(chǎng)位置與鉆孔終孔位置，確定鉆孔分三排布置，共設(shè)計(jì)30 個(gè)，鉆孔間距為0.5 m，排距設(shè)計(jì)為0.6 m。每個(gè)鉆孔設(shè)計(jì)為φ 113 mm×150 m，由上文確定需要布置9個(gè)鉆場(chǎng)，所以鉆孔數(shù)量設(shè)計(jì)為270個(gè)。

(2)鉆孔封孔方式

為了更好的對(duì)高位鉆孔封孔，根據(jù)礦方地質(zhì)情況，決定封孔材料選用聚氨酯，孔口管為φ 90 mm 的PVC管，每根之間通過(guò)管扣相連，同時(shí)為了保證抽采效果，長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為10 m，在PVC管四周通過(guò)纖維或者棉麻布配合聚氨酯進(jìn)行封孔。

圖5 封孔示意圖

3.4 高位巖石鉆場(chǎng)及聯(lián)絡(luò)巷通風(fēng)管理

在進(jìn)行高位巖石鉆孔施工期內(nèi)，采用FBDNo.6.3/11 型礦用壓入式隔爆型軸流的局部通風(fēng)機(jī)對(duì)施工區(qū)域內(nèi)通風(fēng)，通風(fēng)機(jī)風(fēng)量設(shè)計(jì)370 m3/min～260 m3/min。在施工期間，局部通風(fēng)機(jī)布置在軌道大巷內(nèi)，經(jīng)15210工作面回風(fēng)順槽連接至高位鉆場(chǎng)內(nèi)。若施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)局部通風(fēng)機(jī)無(wú)法布置在軌道大巷內(nèi)，則一次串聯(lián)通風(fēng)布置在15210工作面回風(fēng)順槽鉆場(chǎng)口處。鉆孔施工連管結(jié)束后須在聯(lián)絡(luò)巷口設(shè)置一道防風(fēng)密閉墻。

3.5 實(shí)際應(yīng)用效果

礦方在治理期間對(duì)15210工作面不同地點(diǎn)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了觀(guān)測(cè)，共持續(xù)了60 天，將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析后得到了圖6瓦斯?jié)舛惹€(xiàn)圖。

由圖6可知，曲線(xiàn)瓦斯?jié)舛确逯禐?.6%左右，在允許濃度范圍之內(nèi)，表明所采取措施有效的解決了15210 工作面的瓦斯問(wèn)題，而且觀(guān)察三條曲線(xiàn)中工作面瓦斯?jié)舛仍诔椴珊笥辛嗣黠@的降低，整體穩(wěn)定在0.4%，上隅角瓦斯?jié)舛日w上穩(wěn)定在0.5%左右，而回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛日w穩(wěn)定在0.3%～0.4%之間，為煤礦安全提供了保障。

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用Fluent 軟件建立回采工作面瓦斯抽采模型，對(duì)抽采前后工作面瓦斯?jié)舛确植紶顩r的對(duì)比，分析工作面在未抽采時(shí)采空區(qū)瓦斯分布特征，得出受采動(dòng)影響，大量瓦斯積聚在采空區(qū)上部，使工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛壬?，造成安全隱患。采用高位高位鉆孔來(lái)抽采采空區(qū)瓦斯，治理期間對(duì)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)，瓦斯?jié)舛冉档偷桨踩秶鷥?nèi)，保證了綜采工作面安全生產(chǎn)。