高瓦斯厚煤層綜放面采空區瓦斯治理技術及應用

唐一舉

摘 要：為了對申家莊煤礦2303工作面瓦斯進行治理，保證礦井安全生產，對工作面瓦斯來源進行分析，確定主要瓦斯涌出源為采空區瓦斯。通過理論計算、數值模擬的方法，確定瓦斯富集區域，提出高位鉆孔抽采技術和采空區埋管抽采技術措施，并進行了工業現場應用。

關鍵詞：瓦斯涌出;富集區域;高位鉆孔抽采;采空區埋管抽采

中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）31-0071-03

Gas Control Technology and Application in Goaf of Fully

Mechanized Caving Face in High Gas Thick Coal Seam

TANG Yiju

（Henan College Of Industry and Information Technology，Jiaozuo Henan 454000）

Abstract： In order to control the gas in the 2303 working face of Shenjiazhuang coal mine and ensure the safe production of the mine， this paper first analyzed the gas source of the working face and determines that the main gas emission source was the gas in the goaf. Through the method of theoretical calculation and numerical simulation， the area of gas enrichment was determined， and the technology of high-level drilling and underground pipe drainage in goaf were put forward.

Keywords： gas emission;enrichment area;high-level drilling and drainage;underground pipe drainage in goaf

隨著礦井采深加深、生產規模不斷擴大及綜合機械化程度提高，采掘工作面的瓦斯涌出量急劇增大。而依靠加大風量來降低瓦斯濃度的方法，因受到巷道斷面面積和風速的限制，已遠遠不能滿足安全生產的要求[1-3]。

申家莊煤礦23采區瓦斯含量、瓦斯壓力大，煤與瓦斯突出預測指標鉆孔瓦斯涌出初速度[q]、鉆屑瓦斯解吸指標[Δh2]都已接近臨界值，瓦斯突出危險性逐漸增加，是非突出區域升級為突出區域的過渡采區。針對這一問題，必須結合礦井煤層賦存的條件進行綜合治理。

1 工作面概況

2303工作面位于申家莊煤礦23采區，開采煤層為2#單一煤層。走向長平均為1 150m，傾斜長平均為165m，最大煤層厚度為5.1m，最小煤層厚度為4.6m，平均厚度為4.85m，煤層瓦斯含量為9.98～10.59m3/t，殘存瓦斯含量為2.55m3/t。煤層底板和頂板巖層主要為砂巖，煤層開采方法為后退式走向長壁綜采法，頂板管理采用全部垮落法，通風方式為U型通風。

2 瓦斯涌出來源分析

確定回采工作面的瓦斯來源及所占比重，并對其涌出規律進行分析，對瓦斯治理及抽采工作、有效指導工作面合理配置風量具有十分重要的意義[4]。根據2#煤層的賦存條件，以及與相鄰7#煤層距離為110m，因此不考慮鄰近層瓦斯涌出。綜合分析，2303工作面瓦斯主要來自煤壁瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出和采空區瓦斯涌出[5]。

2.1 回采面總瓦斯涌出總量

采用分源預測法對回采工作面瓦斯涌出總量進行計算[6]。結合礦井提供的資料，經計算，2303回采工作面瓦斯涌出量為20.58m3/min。

2.2 采空區瓦斯涌出量

采空區瓦斯涌出量采用老頂垮落前后回風巷風排的瓦斯含量變化值進行計算，計算公式如下[7]：

[Q3=Q4+（Q2-Q1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

[R=Q3/（Q4+Q2）×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：[Q3]為采空區瓦斯涌出量，m3/min;[Q4]為對采空區進行瓦斯抽采的量，m3/min;[Q2]為老頂發生垮落以后回風巷風流所排放的瓦斯量，m3/min;[Q1]為老頂未發生垮落時回風巷風流所排放的瓦斯量，m3/min;[R]為采空區內涌出瓦斯的量與瓦斯涌出總量的比值，%。

經計算，得出申家莊煤礦的采空區瓦斯涌出量為11.52m3/min，占采面總瓦斯出總量的55.97%，工作面煤壁和落煤合計占44.03%。因此，對采空區瓦斯進行抽放治理，對保證2302工作面安全生產具有重要意義。

3 抽采區域

3.1 “三帶”的確定

高位裂隙鉆孔法是目前治理采空區瓦斯涌出量大較為有效的方法，將鉆孔終孔布置在瓦斯富集區可大幅提高瓦斯抽放效果。如果終孔布置的層位過高，該區域裂隙不發育，則不能有效形成與采空區的瓦斯運移通道，抽放效果較差;如果終孔布置的層位過低，由于冒落帶直接與抽放鉆孔相連通，同樣難以達到理想的抽放效果。因此，研究采空區上覆巖層的破壞規律和“豎三帶”分布區域，對合理布置抽放鉆孔具有重要意義[8-11]。根據“三帶”計算公式，結合2303工作面頂板條件，可得上覆巖層垮落帶的高度為9.4～13.8m，裂隙帶的高度為48.29～73.4m，平均為60.84m。

3.2 U型通風方式下采空區瓦斯運移規律

在確定工作面瓦斯來源及采空區覆巖“豎三帶”高度范圍的基礎上，運用Fluent軟件模擬2303回采工作面U型通風下采空區內瓦斯分布規律，為布置合理的抽放鉆孔提供理論依據。根據申2303回采工作面采空區的實際情況，采空區長200m、寬165m、高30m，進風巷和回風巷長30m、寬3.8m，工作面寬度5m。

距離回采工作面底板30m和60m高度的采空區平面瓦斯濃度分布俯視圖如圖1所示。

表征在[X]軸方向上截取[X]=10m、[X]=70m、[X]=130m、[X]=190m，表征在[Y]軸方向上截取[Y]=2.5m、[Y]=82.5m、[Y]=162.5m，不同豎直截面的采空區豎直方向瓦濃度分布如圖2、3所示。

由模擬結果可知：在距離上隅角平面距30m，距采面垂高45～60m，瓦斯濃度較高，在此區域進行瓦斯抽采將會取得較好效果。

4 現場應用

4.1 鉆場布置

根據模擬結果確定的瓦斯富集區域，決定在回風順槽內向上掘進高位抽放鉆場，以便在鉆場內施工高位鉆孔。在工作面回風巷中，每隔70m向工作面內施工一個鉆場，鉆場布置在距煤層頂板3m（垂直距離）的巖層中，在鉆場中向工作面推進方向布置10個鉆孔，鉆孔終孔位置處于煤層頂板巖層中，鉆孔終孔位置處于工作面上方45～60m，布置方式如圖4所示。

4.2 抽采效果分析

高位鉆孔抽采技術及采空區埋管抽放技術抽采效果與本煤層抽放效果對比如表1所示。

由表1可知，采空區高位鉆孔抽采技術和埋管抽采技術瓦斯抽采量占到工作面瓦斯抽采總量的58%，達到了較為理想的抽采效果。在該工作面實際生產中，在礦井回采工作面配風量1 500m3/min的條件下，未發生瓦斯濃度超限。因此，所采用瓦斯抽采技術對工作面、回風流及上隅角瓦斯超限問題進行了有效治理，為2303工作面的安全生產奠定了基礎。

5 結論

①結合申家莊2303工作面實際條件，確定了回采工作面瓦斯涌出來源。根據計算，采空區瓦斯涌出量占瓦斯涌出總量的55.97%，落煤和工作面煤壁涌出量占涌出總量的44.03%，因此確定了瓦斯治理的主要目標為采空區。

②根據公式計算，得出“三帶”的范圍，裂隙帶的高度為48.29～73.4m，平均為60.84m，并結合數值模擬結果，確定瓦斯富集區域為距離上隅角平面距30m、距采面垂高45～60m的區域。

③采用高位鉆孔抽采技術及采空區埋管抽采技術對采空區瓦斯進行治理，抽放量占工作面瓦斯綜抽放量的58%，工作面綜合瓦斯抽放率達到40%以上，對工作面、回風流和上隅角的瓦斯超限問題進行了有效治理，為2303工作面的安全生產奠定了基礎。

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