張亞軍

（潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司24102 工作面位于井田西南部，工作面傾斜長度236 m，走向長度為2 582 m。工作面開采2#煤層，煤層平均厚度為3.28 m，平均傾角為5°。煤層直接頂為泥巖，厚度為3.0～7.3 m，基本頂為細(xì)粒砂巖，厚度為15 m，底板巖層主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖。工作面采用一次采全高施工工藝，全部垮落法管理頂板。

山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司屬高瓦斯礦井。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，2#煤層自燃等級(jí)為Ⅱ級(jí)，煤塵具有爆炸性，煤層原始瓦斯含量為3 m3/t，瓦斯壓力為0.347 MPa。24102 工作面采用U 型通風(fēng)，根據(jù)工作面的瓦斯監(jiān)測數(shù)據(jù)得出工作面平均瓦斯涌出量為5.76 m3/min，為有效治理24102 工作面采空區(qū)瓦斯，特進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)探討。

2 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律

高位抽采鉆孔：高位抽采鉆孔即為通過鉆場向采空區(qū)的上方施工傾斜向上的鉆孔，利用礦山壓力作用下頂板形成的裂隙作為抽采的主要通道，通過鉆孔將采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯抽放到地面，以此防止采空區(qū)內(nèi)的瓦斯在風(fēng)流的作用下通過回風(fēng)側(cè)煤壁進(jìn)入到回風(fēng)順槽內(nèi)，進(jìn)而有效控制工作面上隅角的瓦斯?jié)舛?，達(dá)到有效治理采空區(qū)內(nèi)瓦斯的目的[1-2]。

為掌握24102 工作面“采空區(qū)高位鉆孔+ 回風(fēng)隅角埋管抽采”方案下的瓦斯運(yùn)移規(guī)律，采用FLUENT 數(shù)值軟件建立數(shù)值模型。模型中將采空區(qū)視為多孔介質(zhì)[3-4]，根據(jù)工作面的瓦斯抽采方案，在模型的回風(fēng)順槽內(nèi)布置高位鉆孔。鉆孔間距為2 m，鉆孔形狀為圓形，尺寸為0.1 m×0.1 m。設(shè)置采空區(qū)高位鉆孔和回風(fēng)隅角埋管的抽采負(fù)壓分別為20 kPa、10 kPa，模型參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬模型參數(shù)

在進(jìn)行模擬作業(yè)時(shí)，設(shè)置工作面運(yùn)輸順槽為風(fēng)流的入口，配風(fēng)量為2 240 m3/min，按照溫度為300 K時(shí)進(jìn)行折算，得出空氣質(zhì)量流量為43.94 kg/s，設(shè)置回風(fēng)順槽為風(fēng)流自由出口[5-6]，其他各項(xiàng)物理參數(shù)賦值情況見表2。

表2 各區(qū)帶數(shù)值模擬參數(shù)

基于上述數(shù)值模型，具體模擬工作面采用高位鉆孔+回風(fēng)隅角埋管抽采情況下采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律見圖1。

圖1 瓦斯?jié)舛确植荚茍D

分析圖1 可知，采空區(qū)瓦斯?jié)舛妊刂ぷ髅孀呦蚍较?，隨著深入采空區(qū)距離的增大，呈現(xiàn)出逐漸增高的現(xiàn)象，且采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛然驹?7%。另外，采空區(qū)采用高位鉆孔和回風(fēng)隅角埋管抽采時(shí)，回風(fēng)隅角區(qū)域的瓦斯?jié)舛认鄬?duì)穩(wěn)定。

在工作面傾向上，采空區(qū)的瓦斯主要被高位鉆孔和埋管兩處抽采通道抽出，由于高位鉆孔與埋管在埋設(shè)層位、抽采區(qū)域方面存在一定的差異，故采空區(qū)內(nèi)局部位置存在瓦斯?jié)舛容^高的情況；另外由于高位鉆孔的瓦斯抽采作業(yè)，使得采空區(qū)內(nèi)的高瓦斯區(qū)域的面積逐漸減小，瓦斯聚集區(qū)向著采空區(qū)的深部轉(zhuǎn)移。

在工作面的垂直高度上，工作面回采后，頂板覆巖逐漸發(fā)生垮落卸壓，采空區(qū)瓦斯會(huì)順著覆巖裂隙逐漸向上移動(dòng)，到達(dá)高位鉆孔控制抽采區(qū)域后，被高位鉆孔持續(xù)抽出，瓦斯?jié)舛仍诖怪狈较蛏媳憩F(xiàn)為隨著高度的增大，瓦斯?jié)舛鹊脑黾犹荻戎饾u減小的趨勢，且回風(fēng)隅角區(qū)域的瓦斯?jié)舛纫蚕噍^于未抽采時(shí)出現(xiàn)較大幅度的降低。

綜合上述分析可知，工作面采用高位鉆孔+ 回風(fēng)隅角埋管相結(jié)合的抽采方式，進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理，可以取得良好的效果。

3 瓦斯治理技術(shù)

3.1 抽采方案設(shè)計(jì)

（1）潞寧煤業(yè)的現(xiàn)場工程實(shí)踐結(jié)果表明，當(dāng)2#煤層回采工作面推進(jìn)一定距離后，在頂板0～30 m的范圍內(nèi)會(huì)形成大量的穿層裂隙，頂板30 m 以上的巖層主要發(fā)育離層裂隙。由于裂隙帶為瓦斯運(yùn)移提供了橫向運(yùn)移的主要通道，該區(qū)域聚集一定程度的高濃度瓦斯，故設(shè)計(jì)高位鉆孔的終孔層位位于離層裂隙區(qū)域內(nèi)。

基于上述分析，確定在工作面回風(fēng)順槽內(nèi)布置高位鉆孔。首個(gè)高位鉆孔在距離工作面開切眼95 m 的位置處施工，隨后沿著巷道走向每間隔2 m 布置一個(gè)高位鉆孔，以5 個(gè)高位鉆孔為一組；鉆孔終孔于煤層頂板30～40 m 的范圍內(nèi)，與回風(fēng)順槽間的平距在30～60 m 的范圍內(nèi)。高位鉆孔各項(xiàng)參數(shù)見表3，高位鉆孔的布置形式見圖2。

表3 高位鉆孔布置參數(shù)數(shù)據(jù)

圖2 高位鉆孔布置平面

（2）回風(fēng)隅角埋管抽采：工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置Φ529 mm 管路，一端插入采空區(qū)內(nèi)，另一端利用Φ600 mm 負(fù)壓風(fēng)筒連接工作面抽采支管，以此進(jìn)行工作面回風(fēng)隅角附近采空區(qū)的瓦斯抽采作業(yè)，使采面采空區(qū)瓦斯向回風(fēng)側(cè)流出，解決上隅角瓦斯易超限的問題。

3.2 效果分析

圖3 采空區(qū)瓦斯治理效果分析

為考察分析24102 工作面采空區(qū)“高位鉆孔+回風(fēng)隅角埋管抽采”方案的應(yīng)用效果，在方案實(shí)施期間進(jìn)行瓦斯抽采各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測分析，并在抽采實(shí)施后進(jìn)行工作面各個(gè)區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊臏y試作業(yè)。2018年6月29日—8月8日監(jiān)測、測試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果見圖3：圖3（a）工作面各個(gè)區(qū)域瓦斯?jié)舛惹€、圖3（b）瓦斯抽采純量、圖3（c）瓦斯抽采率。

分析圖3 可知，24102 工作面采用高位鉆孔+埋管抽采的方式進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理后，工作面上隅角及回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)明顯的降低趨勢；從圖（a）可知，回采期間工作面各區(qū)域的瓦斯?jié)舛染幱诤侠矸秶鷥?nèi)，其中上隅角的瓦斯?jié)舛仁冀K穩(wěn)定在0.1%～0.5%的范圍內(nèi)，無瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn)；從圖3（b）可知，埋管抽采和高位鉆孔的瓦斯抽采純量分別在0.8～2.5 m3/min 和0.5～2.0 m3/min；從圖3（c）可知，工作面采用高位鉆孔+埋管抽采瓦斯治理措施后，瓦斯的抽采率均在30%以上。

基于上述分析可知，高位鉆孔+ 埋管方式抽采瓦斯效果顯著。

4 結(jié)語

1）數(shù)值模擬軟件分析工作面采用高位鉆孔+回風(fēng)隅角埋管抽采方式下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律可知，采空區(qū)瓦斯?jié)舛妊刂ぷ髅孀呦蚍较?，隨著深入采空區(qū)距離的增大，呈現(xiàn)出逐漸增高的現(xiàn)象，且采空區(qū)深部的瓦斯?jié)舛然驹?7%。

2）基于數(shù)值模擬結(jié)果，確定工作面采用高位鉆孔+ 回風(fēng)隅角埋管抽采的方式進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理，設(shè)計(jì)高位鉆孔的終孔層位位于離層裂隙區(qū)域內(nèi)，并結(jié)合工作面特征進(jìn)行抽采各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)計(jì)。

3）高位鉆孔+回風(fēng)隅角埋管抽采瓦斯方案實(shí)施后，工作面回采期間回風(fēng)隅角的瓦斯?jié)舛仁冀K穩(wěn)定在0.1%～0.5%的范圍內(nèi)，抽采方案有效治理了采空區(qū)的瓦斯，保障了工作面的安全回采。