特厚煤層綜放面采空區綜合瓦斯治理技術研究

李軍藝

(山西平舒煤業有限公司，山西 030600)

1 工作面概況

某礦18205綜放工作面走向長為1200m，傾斜長度160m，煤厚為14.8m，工作面共布置一進兩回三條巷道，18205進風巷、18205回風巷沿底板掘進，18205回風巷與鄰近18207采空區之間的煤柱寬度為6m，工作面布置如圖1所示。正常生產時絕對瓦斯涌出量為38.47m/min。

圖1 工作面布置

2 瓦斯治理方案設計

某礦采用地面立孔、L型鉆孔和高抽巷來治理采空區瓦斯，為了研究三種采空區瓦斯治理方法的效果，消除上隅角瓦斯超限對工作面安全生產的影響，依據18205綜放工作面的實際情況，在18205綜放面生產時分階段實施地面立孔、L型鉆孔和高抽巷抽采采空區瓦斯。地面立孔服務階段為從開切眼到330m處；L型鉆孔服務階段為從350m到550m處；高抽巷服務階段為從550m到停采線處，三種瓦斯抽采方式布置如圖2所示。通過現場實測抽采參數并分析抽采效果，為某礦采空區瓦斯治理奠定基礎。

2.1 18205綜放面覆巖演化規律

依據某礦18205綜放面的具體情況，借助CDEM軟件來研究18205綜放面覆巖演化規律，模型長度x為520m，高度y為180m。設置模型的邊界條件：在x方向的兩側施加位移約束，在y方向的底部施加位移約束，在模型上部施加8.75MPa垂直應力，模擬上覆400m左右的巖層自重壓力。

先對18207綜放面開挖，等到18207綜放面結束開挖，對18205綜放面進行開挖，在采動的影響下，18205綜放面上覆巖層斷裂破碎開始垮落，形成明顯的“兩帶”—垮落帶和斷裂帶，在采空區的邊界處上部關鍵層變成鉸接形式，下部關鍵層發生斷裂破碎，逐漸演化為懸臂梁結構。通過模擬結果可知，綜放面垮落帶最大發育高度為54m，斷裂帶最大發育高度為150m。

2.2 地面立孔布置參數

為了最大限度將18205工作面上隅角位置積聚的瓦斯抽走，依據“O”型圈原理，設計地面立孔必須靠近18205回風巷，即把地面立孔內錯18205回風巷12～42m。依據數值模擬結果，地面立孔的終孔位置距底板12～54m。為了保證兩個地面立孔的接替式抽采，在走向上每48m布置一個地面立孔。

借助CFD數值模擬實施地面立孔抽采后，18205回風巷瓦斯濃度分布規律，發現未采取地面立孔抽采時，回采期間18205回風巷瓦斯濃度達到2.2%，而采取地面立孔抽采后，18205回風巷瓦斯濃度顯著降低，下降到0.63%，表明地面立孔抽采效果良好。

2.3 L型鉆孔布置參數

根據18205綜放工作面上覆巖層演化規律和地表實際情況，將L型鉆孔布置在18207綜放面對應的地表附近，施工L型鉆孔立孔深度為120m，接著鉆孔開始拐彎傾斜，長度為206.5m，最后鉆孔沿著水平鉆進，終孔位置和頂板的距離為45m，且內錯18205回風巷30m，L型鉆孔位于瓦斯上浮聚集區，可以充分抽采采空區瓦斯。L型鉆孔三維軌跡如圖3所示。借助CFD模擬實施L型鉆孔后18205回風巷瓦斯濃度分布規律，模擬結果表明：實施L型鉆孔后18205回風巷瓦斯濃度降低到0.45%，而上隅角瓦斯濃度為1.1%。

圖3 L型鉆孔三維軌跡

2.4 高抽巷參數

高抽巷與煤層的間距決定采空區瓦斯的抽采效果。依據18205工作面覆巖演化規律，將高抽巷布置在18205工作面的斷裂帶內，高抽巷與工作面的間距為55m，且內錯回風巷25m。借助CFD數值模擬實施高抽巷技術后，發現18205回風巷瓦斯濃度顯著減小，降低到0.22%，證明高抽巷與工作面的間距合理，能夠明顯減小工作面回風巷的瓦斯濃度，同時采空區瓦斯濃度也顯著下降，抽采效果顯著。

實施地面鉆孔和高抽巷抽采工藝后，回風巷和采空區瓦斯濃度下降顯著，抽采效果良好。

3 抽采效果分析

3.1 現場實測三種工藝的抽采效果

地面立孔自2017年6月24日至9月15日開始抽采采空區瓦斯，現場實測得到瓦斯抽采濃度為2.4%，最大純量是30m3/min，最小純量是10m3/min，平均抽采純量是21m3/min，抽采瓦斯量累計達到223.8萬m3，占18205工作面瓦斯涌出量的45%～68%。

L型鉆孔自8月16日至9月14日開始抽采18205工作面的瓦斯，現場實測發現瓦斯抽采濃度不穩定，波動較大，瓦斯濃度最大值為31.2%，瓦斯濃度最低為0.1%，瓦斯抽采純量是4.2m3/min，波動幅度較大，原因是18205綜放面周期來壓時，頂板破碎冒落被壓實，致使覆巖裂縫裂隙閉合，瓦斯運移的通道不存在。抽采瓦斯量累計為179.8萬m3。

高抽巷自9月11日至11月14日開始抽采工作面瓦斯，但此時工作面處于停采狀態，高抽巷最大瓦斯抽采純量為38m3/min，平均32m3/min，最小為9m3/min，9月15日之前高抽巷未與工作面全部貫通，只通過覆巖裂隙抽采工作面及采空區瓦斯，所以抽采效果不理想，9月15日抽采濃度和純量逐漸升高，證明高抽巷與工作面貫通完全，覆巖裂隙充分發育，為瓦斯運移提高了良好的運移通道，大量的采空區瓦斯被抽走，累計抽采瓦斯純量為236.4萬m3，共占18205綜放面瓦斯涌出量的62%～88%。

圖4 抽采濃度對比

3.2 抽采效果對比

三種抽采工藝的瓦斯濃度和純量隨時間變化規律如圖4、5所示。從圖4發現高抽巷內瓦斯濃度平均為36%，最大值是42%，明顯超過L型鉆孔和地面立孔，而L型鉆孔內平均瓦斯抽采濃度為18%，地面立孔瓦斯抽采濃度平均值2.4%，L型鉆孔平均瓦斯抽采濃度是地面立孔的8倍。這是因為地面立孔終孔點離煤層底板近，漏風較大導致瓦斯抽采濃度低；而高抽巷布置在上覆巖層的斷裂帶內，L型鉆孔僅有一段位于垮落帶內，沿著覆巖裂隙通道大量瓦斯運移到高抽巷中，因此高抽巷瓦斯抽采濃度最高，L型鉆孔次之，地面立孔最低。

圖5 三種瓦斯治理方法抽采純量對比

從圖5得到三種工藝抽采起始階段抽采純量都較低，但隨工作面的不斷開采，瓦斯抽采純量不斷升高，地面立孔和高抽巷的抽采純量明顯升高，平均值分別為21m3/min、32m3/min；而L型鉆孔瓦斯純量較低，平均值僅是6m3/min。地面立孔抽采濃度雖然比L型鉆孔低，但地面立孔瓦斯純量卻大于L型鉆孔，原因是采用地面立孔治理采空區瓦斯時，需要至少同時布置3個地面立孔抽采18205采空區瓦斯，瓦斯抽采混合流量高，因此地面立孔的純量高于L型鉆孔抽采純量；L型鉆孔直徑相對較小，水平方向上鉆孔位于覆巖斷裂帶內，隨著工作面的推進過程頂板巖石不斷垮落破碎，覆巖裂隙得到充分發育，為采空區瓦斯運移提供良好的運移通道。但由于頂板周期來壓期間，上覆巖層跨落后被壓實，覆巖裂隙閉合，瓦斯運移通道不存在，瓦斯抽采濃度變小。周期加壓過后，覆巖裂隙又開始再次發育，大量的瓦斯運移到鉆孔中，抽采濃度再次升高。L型鉆孔抽采濃度和抽采純量突然趨近為0，之后又恢復到原來狀態，如圖4、5所示。

實施三種瓦斯治理方法后18205上隅角瓦斯濃度顯著降低，最大為0.42%，最小為0.1%，平均值為0.2%，如圖6所示。上隅角瓦斯濃度在8月16日到9月14日期間較高，原因是此階段僅L型鉆孔在為工作面服務，抽采效果不如地面立孔和高抽巷，但未瓦斯超限。

圖6 18205綜放面上隅角瓦斯濃度變化曲線

地面立孔具備直徑較小，施工較簡單，效率較高；L型鉆孔施工過程中鉆孔方向經常發生變化，施工過程較為復雜，效率較低，工程造價也比地面鉆孔高；高抽巷具有便于管理和觀測，易于控制瓦斯涌出量，可以提前解放同一煤層或下一煤層回采期間工作面的瓦斯壓力，抽采量大。綜合以上某礦區采用地面立孔和高抽巷的工藝治理采空區瓦斯。