綜放沿空留巷瓦斯抽采設計

馬 勇

(西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200)

綜放沿空留巷瓦斯抽采設計

馬 勇

(西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200)

N2105工作面采用Y型通風方式，沿空留巷作為工作面唯一的回風通道，通過經驗公式的計算得出覆巖三帶的理論高度值，測定分析沿空留巷瓦斯涌出及分布規律，基于此進行瓦斯抽放系統設計，解決了采場瓦斯的高濃度問題，工作面作業環境改善明顯。

沿空留巷；覆巖三帶；瓦斯抽放

引 言

潞安礦區大采高、高瓦斯工作面眾多，治理瓶頸明顯，開采規模擴大的同時開采速度的不斷增加以及工作面數量的龐大，為瓦斯的防治工作提出了極大挑戰。研究覆巖裂隙發育規律，分析瓦斯涌出分布規律，提高抽放效率，是解決瓦斯問題的有效途徑[1]。

1 工程地質情況

余吾煤礦N2105為高瓦斯大采高綜采工作面，

工作面膠帶順槽、進風順槽、回風順槽長度分別為2 471 m、2 170 m和2 356.5 m。煤層厚度相對穩定高度為5 m～7 m，其平均厚度為6.31 m，煤層傾角由南向北2°～3°，平均傾角為2°，煤層容重值達到1.39 t/m3。N2105綜放面煤層頂板的情況相對較為簡單，其礦山壓力作用可控且易控，該煤層無自然的發火傾向。故而，將雙U型通風方式改為Y型通風方式，具體為“三進一回”，將主要進風巷設置為進風順槽以及膠帶順槽，設置回風順槽作為副進風巷。其通風系統如圖1所示。

圖1 N2105綜放面通風系統圖

2 N2105工作面采動裂隙發育規律分析

根據經典礦壓理論，工作面回采過后，會形成垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，即我們平常所說的豎三帶[2]。采空區的主要瓦斯運移通道為裂隙區域的裂隙發育帶，也是瓦斯積聚的主要場所。故而，對上覆巖層裂隙發育情況的判定和對瓦斯運移規律的研究同樣重要。

2.1 理論計算

1) 冒落帶的理論高度，見式(1)：

(1)

式中：h為采煤高度；k為冒落區碎脹系數；a為煤層的平均傾斜角度。

2) 裂隙帶的理論高度，見式(2)：

(2)

式中：a、b、c均表示為待定常數值，并根據煤礦具體情況確定。見表1。

表1 a、b、c的取值

3) 彎曲下沉帶是裂隙帶上邊界到地表的巖層，由于其下沉變化量非常小，所以本次研究暫不考慮彎曲下沉帶。

基于余吾煤礦N2105綜放面的相關數據和參數，通過式(1)和式(2)計算可得出，該條件下的冒落帶理論高度范圍是10.95 m～15.96 m，裂隙帶理論高度為40.47 m～51.67 m。

2.2 現場測定

鉆孔返水計量法是為獲取導水裂縫帶以及冒落帶高度的基本方法，其主要的優勢有：操作簡單、實用可靠、實測數據較能反映實際導水情況等。其最大的特點有：使用方便，在不同埋深和地質條件的礦井都可采用，尤其適用于比較復雜的現場環境，結合曲線擬合，確定得出采空區的冒落帶與裂隙帶高度及相應關系。但是在該礦現場不具備相應的施工條件，如，在該層位較高會出現抽放流量小、抽放困難等問題。因而，在連續測量高位的裂隙鉆孔瓦斯及其濃度過程中，計算分析得到抽放純量，應用該參量即可得到裂隙帶高度和冒落帶高度[3]。

瓦斯運移的主要通道即為巖層裂隙區域，所以，抽采負壓區域是由裂隙帶抽采形成的。瓦斯沿裂隙運移到鉆孔相應區域，其主要以滲流的形式產生。在工作面前方布置3個鉆場，巷道裂隙帶、鉆場的抽采示意圖如圖2所示。

圖2 裂隙帶抽采示意圖

分別對3個鉆場鉆孔瓦斯流量進行分析可知，1、2、3號鉆場裂隙帶進入區域約為距工作面70.0 m、70.3 m、62.0 m處，冒落帶的區域范圍約離工作面28.0 m、23.2 m、24.7 m處，計算分析得到相應的裂隙帶高度以及冒落帶高度，如表2所示。

表2 1號～3號鉆場冒落、裂隙帶高度

通過經驗公式得出，該礦1205工作面達到10.95 m～15.96 m的冒落帶理論高度，達到40.47 m～51.67 m的裂隙帶理論高度。而根據N2105回風順槽1、2、3號鉆場高位裂隙鉆孔的瓦斯濃度和流量測定出冒落帶、裂隙帶高度，其中，冒落帶平均高度值為15.96 m，裂隙帶平均高度值為44.03 m。兩者都處于計算得到的冒落帶、裂隙帶高度的合理范圍內。根據現場實測，驗證了冒落帶、裂隙帶高度的可靠性。

3 沿空留巷瓦斯涌出及分布規律測定分析

將N2105面的沿空留巷通過單元測定法劃分為8個單元，并詳細測量計算每個單元的風量，即可得出整個沿空留巷的漏風和瓦斯濃度情況。單元測定法是將沿空留巷走向布置8個測站，每個測站均分別布置5個測點。N2105綜放面的沿空留巷的放頂前后各個測站及測點的瓦斯濃度分布如第119頁圖3所示。

分析圖3中的瓦斯濃度變化可以看出，由于沿空留巷是N2105綜放面的唯一回風巷道，膠帶順槽沖刷工作面攜帶的瓦斯和回風順槽沖刷上隅角的瓦斯都匯入到沿空留巷中，其瓦斯濃度在沿空留巷迅速升高；通過分析瓦斯分布和現場觀察發現，沿空留巷墻壁存在明顯的裂隙，采空區的瓦斯通過這些裂隙涌入沿空留巷中，由于沿空留巷前端注入高水材料區域存在支護，在靠近工作面的區域通風阻力較大，容易引起通風不暢，進而產生瓦斯積聚和瓦斯超限，所以，需要密切觀測沿空留巷的瓦斯分布情況，在條件允許的情況下，及時清理沿空留巷注入高水材料溢流的大量積水，同時保證沿空留巷有足夠的有效通風斷面[4-5]。

圖3 沿空留巷走向各測點瓦斯濃度分布

4 瓦斯抽放系統設計

余吾煤礦3#煤層的堅固性系數f值可達到0.44～0.53，其良好的冒放特性使得開采過程中的遺煤產量眾多。該放頂煤工藝的使用導致大量的瓦斯產生集聚作用，含量也急劇上升，極大地影響了通風工作的進行，同時也威脅了煤礦的安全生產。傳統的瓦斯治理方法均沒有在根本上使得瓦斯濃度降低至安全許可范圍之內，已無法保證礦井的安全生產，存在諸多問題，如，該礦較差的煤層透氣性能使得在該區域內的瓦斯抽采流量大幅度減小，同時抽放的濃度降低速率減小；該礦區的風流復雜，壓力及流量較高導致其煤塵含量相對增加，安全設施設計制造費用較高，增加了礦區的通風負擔。

基于“O”型圈理論進行分析及設計，地面抽采鉆井終孔距離煤層底板垂直高度取40 m，距離回風順槽為16 m時抽采效果最好，具體鉆井布置方案如圖4所示。

地面鉆井抽采設計時，抽采負壓的影響非常明顯。抽采的瓦斯濃度隨抽采負壓的增加而增加，直至抽采負壓達到臨界值。當該負壓超過其臨界值范圍時，二者呈反比的影響，其抽采效果越來越差。根據現場實測的數據，得到抽采負壓與抽采瓦斯濃度的擬合曲線，如圖5所示。

圖4 地面抽采鉆井布置示意圖

圖5 地面鉆井抽采負壓與抽采瓦斯濃度的擬合曲線

抽采負壓及其抽采瓦斯濃度擬合曲線為：c=ap2+bp+c，式中，回歸系數a=-0.013，b=1.122，c=-1.188，相關系數為0.914。當地面的抽采負壓鉆井達到45 kPa時，抽采瓦斯濃度達到最高值25.5%。抽采負壓和瓦斯抽采的濃度呈反比。當負壓達到62 kPa時，抽采瓦斯濃度僅為17.3%。抽采效果最佳，即為當地面鉆井抽采負壓范圍在45 kPa。

5 結論

該礦N1205工作面達到10.95 m～15.96 m的冒落帶理論高度，達到40.47 m～51.67 m的裂隙帶理論高度，地面抽采鉆井終孔距離煤層底板垂直高度取40 m，距離回風順槽為16 m時抽采效果最好，抽采效果最佳即為當地面鉆井抽采負壓范圍在45 kPa。

[1] 王鐵軍，趙傳龍，代華明，等.礦井瓦斯抽采技術的研究現狀及前景[J].山西焦煤科技,2012(6):27-30.

[2] 谷麗朋，羅新榮.我國煤礦瓦斯抽采技術的新進展及問題[J].能源技術與管理,2011(1):105-107.

[3] 謝建林，孫曉元.高瓦斯厚煤層采動裂隙發育區瓦斯抽采技術[J].煤炭科學技術,2013(5):68-71.

[4] 姬俊燕，鄔劍明，周春山，等.煤層群覆巖采動裂隙演化規律及瓦斯抽采技術[J].煤炭科學技術,2013(S2):189-191.

[5] 沈廣輝，樊艷虹，樊斌，等.采空區瓦斯分布規律及瓦斯抽采方法的研究[J].工礦自動化,2009(4):95-96.

The gas extraction for gefctc design

MA Yong

(Xishan Coal and Electricity Malan Mine, Gujiao Shanxi 030200, China)

N2105 face using Y type ventilation way, along the empty left lane as the only passageway, solve the strata by empirical formula of calculation theory of three zones of high value, measurement analysis for the gas emission and distribution of gas drainage system design based on the field, and solved the problems of stope gas of high concentration, working to improve the working environment is obvious.

Along the empty left lane; Strata zones mingle; Gas drainage

2017-03-20

馬 勇，男，1985年出生，2010年畢業于陽泉職業技術學院。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.02.39

TD712+.6

A

1004-7050(2017)02-0117-03

煤礦工程