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        采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律與治理技術(shù)研究

        2021-08-02 02:31:56
        2021年8期

        蔣 磊

        (晉能控股集團(tuán) 投資計(jì)劃部,山西 大同 037000)

        1 工程概況

        同煤集團(tuán)煤峪口礦81004工作面位于410盤區(qū),北部為81002工作面采空區(qū),東部為井田邊界保護(hù)煤柱,西部為410盤區(qū)大巷。工作面上覆為11-12號煤合并層采空區(qū),與81004工作面間的間距為0.8~12.5 m,工作面切眼長度140.3 m,可采長度為885 m,開采14-2號煤層,平均厚度2.97 m,平均傾角2°。頂板巖層為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖,底板巖層為細(xì)砂巖和泥巖。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知,14-2號煤層與其上鄰11-12號煤層屬近距離煤層,其上部煤層已回采完畢,采空區(qū)內(nèi)積存著大量瓦斯,瓦斯總量約為207 925 m3,81004工作面回采期間上覆采空區(qū)的瓦斯會涌向工作面區(qū)域,為有效治理工作面回采期間涌出的瓦斯,進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)研究。

        2 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律

        2.1 建立數(shù)值模型

        為有效分析81004工作面回采期間采空區(qū)的瓦斯運(yùn)移規(guī)律,基于工作面的地質(zhì)條件,采用Fluent數(shù)值模擬軟件,建立數(shù)值模擬模型,模型中設(shè)置工作面開切眼和回采巷道,其中設(shè)置進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的長×寬×高=120 m×4 m×3 m,工作面的長度設(shè)置為140 m。為方便研究作業(yè)的進(jìn)行,模型中僅考慮采空區(qū)漏風(fēng)、瓦斯抽采系統(tǒng)及回風(fēng)巷對采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布規(guī)律的影響[1-2],假設(shè)14-2號煤層工作面回采巷道及采空區(qū)在傾斜方向內(nèi)錯11-12號合并層采空區(qū)兩側(cè)各4 m。根據(jù)垮落帶高度的計(jì)算公式為:

        (1)

        式中:h為煤層厚度,m;Kp為垮落到采空區(qū)巖層的碎脹系數(shù);△為回采不徹底遺煤引起的充填厚度;c為總采出率;km為垮落頂煤碎脹系數(shù)。

        基于上述數(shù)據(jù)能夠計(jì)算得出11-12號合并層和14-2號煤層開采后垮落帶的高度分別為31.98 m和49.2 m,進(jìn)一步結(jié)合采空區(qū)覆巖運(yùn)動規(guī)律的相似模擬結(jié)果,確定采空區(qū)上覆巖層各帶的分布形式見表1,具體數(shù)值模型結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

        圖1 復(fù)合采空區(qū)沿走向數(shù)值模型結(jié)構(gòu)示意

        表1 81004工作面采空區(qū)模型參數(shù)

        本次數(shù)值模擬主要分析采空區(qū)在不同風(fēng)量和不同瓦斯抽采量情況下采空區(qū)瓦斯的運(yùn)移規(guī)律。

        2.2 采空區(qū)不同風(fēng)量情況下的瓦斯分布

        為防止工作面回采期間上隅角瓦斯發(fā)生超限事故,需要找到適合工作面的配風(fēng)量,結(jié)合礦井工程實(shí)踐和眾多研究結(jié)論[3-5],根據(jù)鄰近工作面在配風(fēng)量為600 m3/min時上隅角瓦斯易超限,故進(jìn)行工作面在配風(fēng)量為700 m3/min和800 m3/min時,分析采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出,不同風(fēng)量下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律分布云圖(見圖2)。

        圖2 工作面不同配風(fēng)量下采空區(qū)瓦斯分布云圖

        分析圖2(a)可知,在工作面配風(fēng)量為700 m3/min時,隨著向采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度的逐漸增大,在工作面沿傾向、走向和豎直方向上,工作面瓦斯?jié)舛容^低區(qū)域的范圍逐漸擴(kuò)大?;跀?shù)值模擬結(jié)果可知,工作面在該配風(fēng)量情況下,上隅角的瓦斯?jié)舛热源嬖诔蕃F(xiàn)象,上隅角的瓦斯?jié)舛仍?.9%以上,即工作面在不采用抽采方案時,上隅角瓦斯超限在該配風(fēng)量時未得到解決。

        分析圖2(b)可知,在工作面配風(fēng)量為800 m3/min時,采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)一步增大,采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)一步降低,但上隅角瓦斯?jié)舛热蕴幱诔逘顟B(tài),在3.33%~3.75%的范圍內(nèi),與配風(fēng)量為700 m3/min時上隅角瓦斯?jié)舛认啾?,出現(xiàn)了增大現(xiàn)象,主要原因?yàn)榕滹L(fēng)量增大,采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度增大,進(jìn)而導(dǎo)致采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)的瓦斯在風(fēng)流作用下被吹到采空區(qū)回風(fēng)側(cè),進(jìn)而造成上隅角瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)超限現(xiàn)象。

        綜合上述分析可知,工作面在配風(fēng)量由700 m3/min增大為800 m3/min時工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)增大的現(xiàn)象,結(jié)合采空區(qū)瓦斯分布云圖,綜合確定工作面配風(fēng)量選用700 m3/min。

        2.3 采空區(qū)不同抽采量下的瓦斯分布

        設(shè)置工作面配風(fēng)量為700 m3/min時,采用抽采的方式解決工作面上隅角瓦斯易超限的問題,上隅角布置巷道超前導(dǎo)流鉆孔(即在回風(fēng)巷距離工作面一定距離頂板實(shí)施垂直于頂板的穿層鉆孔,針對11-12號煤層的采空區(qū)瓦斯進(jìn)行瓦斯抽采),鉆孔布置在回風(fēng)巷上隅角的區(qū)域,一端埋入采空區(qū),一端接入抽采系統(tǒng),分別模擬抽采量為40 m3/min、60 m3/min和90 m3/min下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?,根?jù)模擬結(jié)果,得出不同抽采方案下工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律(見圖3)。

        圖3 不同瓦斯抽采量下瓦斯分布云圖

        分析圖3可知,在抽采量為40 m3/min時,工作面回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛认陆?.08%,上隅角瓦斯?jié)舛冉档?.6%,但仍處于超限狀態(tài);在抽采量為60 m3/min時,采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)一步減小,上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u降低,最大值為1.12%,仍處于瓦斯預(yù)警狀態(tài);當(dāng)抽采量進(jìn)一步增大為90 m3/min時,此時上隅角瓦斯?jié)舛却蠓档停咚節(jié)舛仍?.2%~0.6%的范圍內(nèi),有效解決了工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}。

        3 瓦斯治理技術(shù)與效果

        3.1 瓦斯治理技術(shù)

        根據(jù)81004工作面的地質(zhì)及賦存條件,結(jié)合上述數(shù)值模擬結(jié)果,確定工作面配風(fēng)量為700 m3/min,采用巷道超前導(dǎo)流鉆孔進(jìn)行采空區(qū)抽采作業(yè),抽采方式采用邊采邊抽[6],即在工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置鉆場,向上覆11-12號煤層打設(shè)穿層鉆孔,通過井下抽采泵站進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采作業(yè),具體抽采方案布置方式如圖4所示。

        圖4 巷道超前鉆孔導(dǎo)流抽采布置示意

        超前導(dǎo)流抽采鉆孔在回風(fēng)巷內(nèi)布置,從距切眼70 m的位置處開始布置,每間隔100 m布置一組,具體鉆孔參數(shù)見表2,抽采鉆孔封孔采用封固劑,設(shè)置封孔長度為3 m,封孔管安裝控制閥門和三通卸壓閥。

        表2 巷道超前鉆孔導(dǎo)流抽采參數(shù)

        3.2 效果分析

        在81004工作面回采期間,通過對鉆孔抽采數(shù)據(jù)的監(jiān)測分析,得出巷道超前導(dǎo)流鉆孔抽采濃度和抽采純量的變化曲線,如圖5所示。

        圖5 超前導(dǎo)流鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量曲線

        分析圖5可知,工作面采空區(qū)采用巷道超前導(dǎo)流鉆孔瓦斯抽采方案時,瓦斯抽采濃度平均為3%,抽采純量為1.9 m3/min。在抽采方案實(shí)施后,工作面瓦斯絕對量為3.1 m3/min,抽出率達(dá)到61%.

        另外,根據(jù)工作面回采期間的上隅角和回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測分析可知,工作面采用巷道超前導(dǎo)流抽采方案后,回采期間上隅角瓦斯?jié)舛仍?.01%~0.34%的范圍內(nèi),無瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn),保障了工作面的安全高效開采。

        4 結(jié) 語

        根據(jù)81004工作面與上覆11-12號煤層合并層采空區(qū)的空間關(guān)系,通過數(shù)值模擬軟件進(jìn)行不同配風(fēng)量和不同抽采量下采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律的分析,結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和地質(zhì)條件,設(shè)計(jì)工作面采用巷道超前導(dǎo)流鉆孔的方式進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理,根據(jù)抽采方案實(shí)施后的效果分析可知,工作面回采期間上隅角無瓦斯超限現(xiàn)象,保障了工作面的安全開采。

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