特厚煤層瓦斯抽采參數優化研究

摘要：隨著礦井的延伸和技術的發展，大同礦區開采石炭二疊系特厚煤層的千萬噸級礦井快速發展，以塔山煤礦、同忻煤礦為代表的礦井在開采過程中普遍面臨著瓦斯超限的問題，為了治理同忻煤礦瓦斯超限問題，在采煤工作面試驗了高位鉆孔抽采、高位巷抽采等瓦斯治理方法，并對試驗的結果進行了分析與模擬研究，確定了高位巷抽采是適合同忻煤礦特厚煤層開采的瓦斯治理方法。

關鍵詞：特厚煤層；高位鉆孔；高位巷；抽采參數；數值模擬

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）23-0091-03

特厚煤層為厚度大于8m的煤層，近年來，大同礦區的侏羅系煤層資源逐漸枯竭，大部分礦井向下延伸開采石炭二疊系煤層，煤層厚度在1.63～29.41m之間，平均煤厚為15.72m。由于埋深增加、煤層較厚且開采強度增大（工作面年產量達到1000萬噸），瓦斯超限成為制約礦井安全生產的瓶頸。本文通過研究同忻煤礦開采石炭系3～5號合并煤層的瓦斯涌出情況，利用現場實測、模擬研究等手段分析研究不同瓦斯治理方法對治理效果的影響，選擇適合同忻煤礦特厚煤層開采所需的瓦斯治理方法，并得優選后的瓦斯治理方法進行抽采參數優化，使瓦斯治理的效率最

大化。

同忻煤礦是同煤集團2006年興建的千萬噸級現代化礦井，礦井主采煤層3～5號煤層的厚度為0～35.31m，平均13.67m，采煤方法為長壁式采煤法，全部陷落法管理頂板，回采工藝為綜采放頂煤，單面產量約為4.5Mt/a左右。工作面的推進速度在6m/d的情況下，瓦斯涌出量達40m3/min，礦井現有的抽采系統最大抽采能力可達1000m3/min，可利用現有的抽采系統，試驗抽采方法。

1 瓦斯抽采方法優選

礦井的瓦斯抽采方法直接決定著瓦斯抽采效果，對瓦斯治理工作有著直接的影響。由于工作面瓦斯主要來源為采空區瓦斯涌出，針對工作面的瓦斯涌出情況，設計了鉆孔抽采和高位巷道抽采兩種方法采空區瓦斯，并分別進行了試驗。

1.1 鉆孔抽采方法治理工作面瓦斯

鉆孔抽采瓦斯的方法是在工作面回風巷內設置鉆場，間距為40～50m，在各鉆場內迎著工作面推進方向打雙排扇形鉆孔，每個鉆場內打6個扇形鉆孔，鉆孔的終孔點位置距回風巷的水平距離為8～32m，距煤層頂板的垂直距離為55m，利用鉆孔將采空區高頂的高濃度瓦斯抽出，降低上隅角區域的瓦斯涌出量，達到治理效果。鉆孔的布置示意圖如圖1所示：

鉆孔施工完成后，將鉆孔連接到瓦斯抽采系統，并連續觀測抽采數據，以此為基礎分析鉆孔抽采方法的治理效果。

表1中的數據為抽采效果最好的一個鉆孔連續6天的抽采數據。其中抽采的混合流量最大為1.78m3/min，最大純量為0.57m3/min。1個鉆場共6個鉆孔，最大的抽采純量為3.42m3/min，對減少采空區瓦斯涌出會有一定的效果，但對工作面上隅角與回風流的瓦斯超限起不到明顯作用。在遇見較大地質構造或煤層瓦斯含量增大時，可采用高位鉆孔抽放措施。

鉆孔瓦斯濃度低、流量小，是單孔抽采量不高的主要原因，這也表明采空區高冒空間內的瓦斯濃度在15%～20%之間，傳統的小流量、高濃度的鉆孔抽采治理方法不能適應并解決同忻煤礦特厚煤層工作面的瓦斯超限問題。

1.2 高位巷抽采方法治理瓦斯

總結出鉆孔抽采試驗失敗的原因主要是抽采總流量小，因此礦方決定試驗大流量的高位巷抽采。高位巷沿2號煤底板布置，內錯20m，距回風巷頂板10～20m，這個位置正處在采空區冒落帶內。將高位巷密閉并埋入抽采管路，通過抽采系統將采空區冒落帶內的瓦斯抽出，截流涌向上隅角和回風流的瓦斯，高位巷的布置示意圖如圖2所示：

高位巷密閉抽放后，抽采系統以最大能力工作，抽采量維持在900～1000m3/min之間，工作面瓦斯超限問題得以解決。對高位巷的治理效果進行了6個月的觀測，觀測的部分數據如圖3和圖4所示：

從圖中可以看出，高位巷抽出的純瓦斯量為25～60m3/min，平均抽放瓦斯量38m3/min。工作面上隅角瓦斯濃度控制在0.3～0.7%之間；工作面回風瓦斯濃度控制在0.4%以下；工作面120～130號支架之間后溜通道放煤時瓦斯濃度降到0.5%以下，消除了放煤時瓦斯超限的現象。表現出高位巷道密閉采空區瓦斯具有明顯效果，能夠解決采空區瓦斯涌出造成工作面上隅角和回風流瓦斯超限問題。

綜合以上論述，對比鉆孔抽采方法與高位巷抽采方法可以看出，在工作面瓦斯涌出量較大的情況下，鉆孔的單孔抽采量過小，鉆孔數量嚴重不足是鉆孔抽采達不到治理效果的主要原因。由于綜放工作面的推進度在4～6m/d之間，鉆孔的抽采有效期僅能達到8～10d，鉆孔的施工周期被嚴重壓縮，造成了抽放鉆孔數量嚴重不足，總抽采量達不到瓦斯治理的要求。因此試驗了抽采較大的高位巷的抽采方法，并取得了預期的效果。

2 高位巷抽采方法抽采參數的優化研究

高位巷抽采方法在治理瓦斯超限方面取得了較好的效果，其抽采參數尚存在可以優化的地方，以達到提高抽采效率，節能降耗的效果。

2.1 高位巷抽采方法的模擬研究

高位巷抽采的瓦斯主要是采空區內高頂處的瓦斯，采空區內部的抽采和瓦斯參數無法直接測定，只能間接地根據抽采系統瓦斯參數、工作面瓦斯參數推算出抽采系統影響半徑、抽采區域瓦斯濃度分布、流場等情況。為了更直觀地觀測到采空區內的瓦斯情況，利用數值模擬的手段，模擬出整個采空區內的瓦斯分面情況并對抽采效果進行定性評價，同時為抽采參數的優化提供依據。

工作面不采取抽采措施時的采空區模型參數見表2：

通過數值計算，得到末采取抽采措施下的采空區氣體濃度分布，如圖5所示：

根據模擬結果可以看出，采空區內的漏風和氣體分布與采空區內冒落巖石的壓實程度有關。臨近工作面的采空區內，垮落巖體未受或只受到很小的巖石應力影響，孔隙空間較大，漏風量大，瓦斯的稀釋和運移程度較高，濃度小于5%，離工作面較近的地方大約在3%左右；遠離工作面的區域受載荷影響，空隙空間受到壓擠，瓦斯濃度逐漸增大，一般在5%～15%之間；壓實穩定區瓦斯濃度最高達到90%以上。

采用高位巷抽采時的數據模擬基本參數與以上相同，區別是在工作面設置內錯式高位巷，并設置了高位巷的抽采量為1000m3/min。通過計算得出了高位巷抽采時的氣體濃度分布圖，如圖6所示：

根據模擬結果可以看出，由于高位巷抽采的的泄排和引流作用，使抽排口附近區域的瓦斯稀釋、運移程度增大，瓦斯濃度相比較低，最高只有2%，一般在1%左右，離工作面較近的地方瓦斯濃度小于1%；遠離工作面的載荷影響區受到的影響較小，瓦斯濃度不大，一般在3%～12%之間；壓實穩定區域基本不受抽采的影響，瓦斯濃度基本不發生變化。

2.2 瓦斯抽采參數的優化研究

從瓦斯抽采的目標來看，只要抽采系統能保證上隅角和回風流瓦斯在正常生產期間不超限，就達到了瓦斯抽采的目的，并不是抽采量越大越安全，抽采的同時會增大采空區的漏風風量，在容易自燃煤層會有很大的安全隱患，因此合理確定瓦斯的抽采參數，不僅可以節能降耗，還能降低煤層自燃發火的發生概率。

從數值模擬的結果可以看出，只要抽采影響半徑將上隅角區域包圍，就可以將流向上隅角區域的瓦斯通過高位巷道分流到抽采系統中。由于抽采影響半徑包括的范圍大部分在采空區內部無法直接測得，因此通過對工作面上隅角區域、后遛尾、回風流的瓦斯進行測定，間接的分析出抽采影響半徑：抽采量在500～1000m3/min之間時，抽采影響半徑大于等于20m；抽采量在400～500m3/min之間時，抽采影響半徑約為15m；抽采量300m3/min時，抽采影響半徑約為10m。

正常開采的情況下（工作面非周期來壓）工作面瓦斯增大范圍是工作面上隅角區域向進風流方向延伸60m，其中40m范圍是瓦斯易超限范圍，如引排負壓影響范圍到達20m，就可以解決工作面瓦斯超限問題，因此抽采量達到500m3/min就可以滿足工作面正常生產時瓦斯不超限。

為了驗證對抽采半徑的推算，將抽采系統的抽采量調整為500～550m3/min，并觀測29天的時候。期間抽采量平均為530m3/min，上隅角瓦斯濃度維持在0.16%～0.3%之間，平均為0.22%；回風流瓦斯維持在0.12%～0.23%之間，平均為0.17%。完全可以保證工作面的瓦斯不超限。觀測數據的曲線如圖7所示：

3 結語

（1）同忻煤礦高瓦斯涌出量工作面的瓦斯治理工作應以大流量抽采為指導思想，在此基礎上采取措施嘗試提高抽采濃度。

（2）通過現場數據實測與數值模擬研究認為，高位巷抽采是適合同忻煤礦的瓦斯治理手段，應進一步開展研究工作，使高位巷抽采的參數更加合理。

（3）本文僅僅是間接地推算出采空區內抽采半徑的影響范圍，待觀測手段成熟時應實際測量出不同抽采流量對應的影響半徑，使抽采工作進一步合理化。

參考文獻

[1] 林柏泉，張仁貴.U型通風工作面采空區瓦斯涌出及其治理[J].煤炭學報，1998，23（2）.

[2] 王曄，王寧，康懷宇，梁俊芳.采用工藝巷防止高瓦斯易自燃綜放面上隅角瓦斯積聚的探討[J].華北科技學院學報，2008，（4）：19-24.

[3] 劉春剛.高位抽放巷防止上隅角瓦斯積聚數值模擬研究[J].煤礦安全，2012，43（7）：11-13.

[4] 姜福星，孔令海，劉春剛.特厚煤層綜放采場瓦斯運移規律[J].煤炭學報，2013，（3）：407-410.

[5] 朱毅.綜放采空區抽放條件下漏風流場數值模擬研究[D].西安科技大學，2006，（4）.

作者簡介：劉寶志（1983—），男，內蒙古通遼人，就讀于太原理工大學，同煤國電同忻煤礦通風區書記，工程師，研究方向：礦井瓦斯防治、防滅火。