王超遠(yuǎn) 楊振寧

（1.神東煤炭集團(tuán)公司寸草塔二礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045100）

1 工程概況

陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司（上社煤礦）位于盂縣南婁鎮(zhèn)北上社村南，開采15#煤層位于太原組（C3t）底部，為主要可采煤層，煤層厚4.3～5.9 m，平均厚度5.0 m?；夭晒ぷ髅孀畲笸咚褂砍隽繛?0.13 m3/min。15#煤層回采工作面采用條帶式布置，15115 回采工作面是其第七個工作面。本工作面采用傾向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，其北部為15117 工作面（未采掘），南側(cè)為已回采的15113工作面，東為回風(fēng)大巷，西側(cè)為井田邊界。工作面井下標(biāo)高+744～810 m。15115 綜采工作面采用本煤層、采空區(qū)瓦斯抽采進(jìn)行瓦斯治理。往期工作面回采期間，上隅角瓦斯常出現(xiàn)超限情況，影響礦井的安全高效生產(chǎn)。鑒于此，以15115工作面為工程背景，對采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 覆巖垮落規(guī)律相似模擬研究

以15115 工作面及上覆巖層為工程背景建立相似物理模型，模擬分析工作面回采期間沿工作面推進(jìn)方向上覆巖層的裂隙演化分布規(guī)律，為采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)的設(shè)計優(yōu)化提供指導(dǎo)。采用錢鳴高院士的關(guān)鍵層理論對工作面上覆巖層進(jìn)行判別，得到模型柱狀圖原型如圖2。模型幾何相似比1:100，應(yīng)力相似比1:150，上覆巖層模擬總厚度為102 m，剩余巖層不再模擬。經(jīng)計算將上覆巖層等效為0.04 MPa的垂直應(yīng)力。模型主要材料為河沙、石膏、水、云母粉，模型底部為固定約束，兩側(cè)其前后邊界設(shè)置單向位移約束。模型初次開挖位置距模型邊界30 cm，共開挖140 cm，模擬工作面回采140 m。

圖1 15115 工作面布置平面圖

圖2 巖層柱狀圖及模擬結(jié)果

工作面推進(jìn)140 m 后，上覆巖層運移垮落規(guī)律如圖2（b）。巖體宏觀裂隙開度大于3 mm 即為發(fā)育裂隙[1]，物理模型相似比1:100，則模型上可見裂隙均為發(fā)育裂隙。頂板巖層一定高度范圍內(nèi)橫向、豎向裂隙交叉貫通，巖層被分割成各種形狀的塊體，塊體間裂隙縫隙較大，該部分巖層可判斷為冒落帶。橫向裂隙與豎向裂隙的形成是相互影響的，巖層離層后產(chǎn)生橫向貫通大裂隙，但豎向裂隙未貫通發(fā)育，巖層未碎裂成塊，該部分巖層可判定為裂隙帶。根據(jù)以上原則可得，15115 工作面采空區(qū)冒落帶發(fā)育高度17.5 m，裂隙帶高度范圍為17.5～58.5 m。

隨著工作面的回采，采空區(qū)中間部分的冒落巖石將重新壓實擠密，中部形成壓實區(qū)，采空區(qū)四周一定寬度的裂隙區(qū)形成“O”形圈[2]。該區(qū)域巖層離層產(chǎn)生大量貫通裂隙，采空區(qū)煤巖體解吸出的瓦斯賦存于該區(qū)域，形成瓦斯富集“O”形區(qū)域。以工作面推進(jìn)74 m 和115 m 為例，水平方向裂隙區(qū)、壓實區(qū)分布情況如圖3（a），切眼方向采空區(qū)邊界處裂隙區(qū)寬度為27 m，緊鄰工作面后方裂隙區(qū)寬度分別為19 m、21 m。由此可知，工作面后方0～20 m 為裂隙發(fā)育區(qū)。結(jié)合15115 工作面采掘工程平面圖及“O”形圈理論，可知采空區(qū)瓦斯運移情況如圖3（b）。采空區(qū)上部裂隙帶形成高位高濃度瓦斯流動圈，該部分瓦斯主要通過高位鉆孔進(jìn)行抽采，工作面后方裂隙區(qū)形成低位低濃度瓦斯流動帶。這兩個區(qū)域的瓦斯可通過裂隙、裂縫運移至回采工作面，是導(dǎo)致工作面風(fēng)流、上隅角瓦斯?jié)舛壬叩闹匾蛩?。因此低位瓦斯流動帶可采用埋管抽采技術(shù)。

圖3 采空區(qū)水平方向裂隙區(qū)及瓦斯運移規(guī)律

3 “O”形圈瓦斯層位探測及抽采設(shè)計

3.1 瓦斯富集區(qū)探測

采場覆巖裂隙帶發(fā)育范圍為17.5～58.5 m，為確定最佳的高位鉆孔布置層位，需進(jìn)一步掌握采空區(qū)瓦斯垂直方向的分布情況。因此，在15115 工作面回采初期，通過探測鉆孔監(jiān)測采空區(qū)覆巖內(nèi)瓦斯?jié)舛?。探測孔鉆場設(shè)置在15115 回風(fēng)順槽，距切眼100 m，終孔位置與回風(fēng)順槽實體煤幫相距30 m，距15115 開切眼20 m，垂直高度分別為20 m、30 m、40 m，探測鉆孔布置如圖4（a）。鉆孔端頭處甲烷傳感器監(jiān)測結(jié)果如圖4（b）。

圖4 采空區(qū)瓦斯區(qū)實測

低位探測孔抽采瓦斯純量為0～0.12 m3/min，瓦斯?jié)舛纫恢北３衷?.0%左右，低于12%，抽采流量為0～5.3 m3/min，平均為0.5 m3/min，抽采瓦斯?jié)舛容^低，抽采量及抽采純量均較?。恢形惶綔y孔抽采瓦斯純量為0.02～0.32 m3/min，瓦斯?jié)舛仍?4.9%～22.8%間波動，平均值約為18%，抽采流量為0.6～6.5 m3/min，平均為3.3 m3/min，瓦斯?jié)舛确€(wěn)定且較高，抽采流量較大且較穩(wěn)定；高位探測孔抽采瓦斯純量為0.01～0.10 m3/min，瓦斯?jié)舛仍?.4%～21.7%間波動，平均值約為13%，抽采流量為0.2～2.0 m3/min，平均為1.0 m3/min，瓦斯?jié)舛炔▌幼兓^大，抽采流量較小。綜上，中位瓦斯探測孔瓦斯含量顯著高于其余兩個探測孔，即說明高位瓦斯抽采鉆孔的布置垂直層位為6 倍采高（30 m）。

3.2 高位鉆孔與回風(fēng)順槽水平距離分析

采空區(qū)高位鉆孔與回風(fēng)順槽水平距離過近，很可能出現(xiàn)抽出氣體與巷道內(nèi)氣流連通，無法抽到高濃度瓦斯；如果距離過遠(yuǎn)可能位于采空區(qū)中部的重新壓實區(qū)域，難以達(dá)到預(yù)想的效果。參閱相關(guān)研究成果[3-4]，抽采鉆孔在水平方向與順槽的距離x應(yīng)滿足：

依據(jù)上社煤礦15115 工作面開采技術(shù)條件，采空區(qū)覆巖卸壓角為δ=57°，煤層傾角θ=5°，工作面長度L=200 m，冒落帶高度H=17.5 m，計算可得9.3 m ≤x≤66.7 m。

4 采空區(qū)瓦斯綜合抽采技術(shù)

4.1 高位鉆孔布置方案

根據(jù)15115 工作面開采技術(shù)條件，結(jié)合相似模擬研究及理論計算結(jié)果，15115 工作面可采長度約1500 m，共布置11 個鉆場，鉆場間距130～150 m，由外向里依次編號為1#～11#鉆場。以11#鉆場為例，其高位鉆孔布置方式如圖5。高位鉆孔通過回風(fēng)順槽L 型鉆場施工，鉆場內(nèi)錯回風(fēng)順槽10 m 布置，鉆場在煤壁開口底板抬高1.5 m，鉆場施工處距煤層頂板3.0 m，每個鉆場布置12 個高位鉆孔，鉆孔終孔處垂直層位分別為25 m、30 m、35 m，與回風(fēng)順槽內(nèi)錯距離10～40 m，鉆孔直徑153 mm。

圖5 15115 工作面高位鉆孔布置詳情（mm）

4.2 埋管抽采低位瓦斯

工作面后方0～20 m 裂隙區(qū)內(nèi)瓦斯采用后落山埋管技術(shù)進(jìn)行抽采，確保上隅角瓦斯?jié)舛炔怀?。抽采管干路直徑?00 mm，布置在回風(fēng)順槽內(nèi)，采空區(qū)埋管直徑為400 mm，管壁上預(yù)先加工多個小直徑篩孔作為進(jìn)氣口，埋管間距為4 m，抽采負(fù)壓為15 kPa。

5 瓦斯治理效果分析

為驗證15115 工作面采空區(qū)綜合抽采技術(shù)的應(yīng)用效果，在每個孔口處裝置有孔口流量監(jiān)測器。以11#鉆場的9#鉆孔為例，其抽采瓦斯?jié)舛燃傲髁咳鐖D6。

圖6 鉆孔瓦斯抽采量、抽采濃度

工作面與鉆場距離110～200 m，鉆孔未進(jìn)入工作面回采上方，鉆孔進(jìn)入工作面回采范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛壬练逯?4%，瓦斯流量也達(dá)到峰值3.2 m3/min，之后瓦斯?jié)舛仍?5%上下波動，瓦斯流量在2.5 m3/min 上下波動，抽采瓦斯?jié)舛容^高，流量穩(wěn)定，抽采效果良好。15115 工作面回采期間，瓦斯總涌出量平均為20.8 m3/min，風(fēng)排瓦斯流量平均為9.5 m3/min，抽采總量平均為11.3 m3/min。實施瓦斯綜合治理措施后，工作面瓦斯抽采率平均值為54.33%，抽采效果良好，工作面風(fēng)流及上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.4%左右，保證了工作面的安全回采。

6 結(jié)論

（1）依據(jù)15115 工作面地質(zhì)條件，相似模擬研究得到采空區(qū)覆巖冒落帶發(fā)育高度為17.5 m，裂隙帶高度范圍為17.5～58.5 m，工作面后方低位裂隙區(qū)寬度為20 m。

（2）現(xiàn)場實測表明，距煤層頂板30 m 層位瓦斯?jié)舛容^高，高位鉆孔與回風(fēng)順槽水平距離合理范圍為9.3 m ≤x≤66.7 m，據(jù)此設(shè)計高位鉆孔的布置方案，并設(shè)計采空區(qū)埋管抽采低位裂隙區(qū)內(nèi)瓦斯。

（3）15115 工作面回采期間，高位鉆孔瓦斯單孔抽放量可達(dá)2.5 m3/min，工作面瓦斯抽采率均值54.33%，工作面風(fēng)流及上隅角瓦斯穩(wěn)定0.4%左右，瓦斯綜合抽采效果良好，保障了工作面的安全生產(chǎn)。