新元礦9104 工作面瓦斯分布規律與治理技術研究

李 雨 星

（山西新元煤炭有限責任公司 ，山西 晉中 030600）

1 工程背景

本文以陽煤集團新元礦為對象進行了瓦斯治理研究，該礦井為煤與瓦斯突出礦井，主要可采煤層有3#、9#，其中 9104 工作面為 9# 煤層工作面，瓦斯平均涌出量42.00m3/min，煤層頂板以砂質泥巖、細砂巖為主，厚度為0.5～11.70m，采煤方式為一次采全高綜合機械化采煤法，采空區自然垮落，自燃等級為Ⅱ級，工作面進風回風巷布置呈 U 形， 瓦斯壓力在0.6～0.8MPa 的范圍內，已知煤層力學特性與瓦斯壓力之間呈現負相關關系[1]，據上述數據可知該煤層瓦斯具有涌出量較大，有瓦斯突出的危險件，為此有必要對瓦斯的來源進行分析，并進一步摸清瓦斯的分布規律，并為后續治理提供依據。

2 瓦斯來源及分布規律

2.1 現場檢測

為了掌握9 號煤層開采過程中工作面瓦斯主要來源及分布規律，進一步完善瓦斯治理措施，對工作面不同瓦斯涌出源狀況和瓦斯濃度的測定分析十分必要。本次采用單元法測試9104 工作面瓦斯涌出量，將工作面劃分為16 個單元，在進風巷道和回風巷道中布置兩個測點，布置平面圖見圖1。

圖1 瓦斯測點布置圖

2.2 測量結果分析

按照上述測點布置后，以進風側與切眼交匯處為原點構建坐標系，X 軸正向為風流方向，Y 軸正向位采空區方向，Z 軸正向即底板至頂板，分別對瓦斯濃度以及風量進行測量，得出數據后繪制得到圖2 曲線。

圖2 （a）中為了保證檢測的準確性，分別在工作面各支架間進行了色譜分析，觀察曲線總體趨勢表現為瓦斯濃度的增加，在靠近進風流一側即0～150m 之間，瓦斯增速較緩慢，在150m～240m 之間，瓦斯增速迅速增大，其中在165m 處瓦斯濃度達到1.5%，這是因為工作面在采動過程中釋放了大量瓦斯，采煤機等大型設備也阻礙了風流的流動，而且采空區瓦斯也隨著風流向上隅角流動，這也就導致了瓦斯在回風一側濃度提升速度快，綜上所述沿工作面X 軸方向上，回風一側為工作面瓦斯積聚的主要區域，瓦斯來源為采煤過程中釋放的瓦斯以及采空區涌入工作面的瓦斯。

觀察圖2 （b） 可以看出整個巷道的風流規律，0m～30m 范圍內，風量穩定在 2040m3/min，在 30～90m范圍內，風量呈斷崖式下降，在90m～135m 范圍內僅為 820m3/min，在 135m～190m 之間，風量增加明顯，這是因為在此階段，采空區較多瓦斯涌入工作面，并進一步造成了工作面上隅角瓦斯偏高。

圖 2（c）中，9104 工作面 Z 軸方向上，對工作面垂直方向上劃分為上部、中部、下部，瓦斯濃度整體表現為上部> 下部> 中部，這是因為瓦斯密度小于空氣，容易逸散至巷道上部，中部瓦斯小于下部瓦斯是因為巷道風流主要集中在巷道中部，上部瓦斯濃度最高達2.2%，為此需要對回風一側巷道上部瓦斯進行集中治理。

圖2（d）中，在工作面Y 軸正向上瓦斯濃度表現為回風側> 工作面中部> 進風側，進風一側瓦斯濃度整體偏低，在工作面中部瓦斯濃度較高點位于煤壁以及采空區側，這是因為中部風流攜帶采煤過程以及煤壁釋放的瓦斯，且中間風速大兩邊風速小，造成煤壁以及采空區處瓦斯濃度較高，采面回風側從工作面以及采空區漏風攜帶的瓦斯累計達到最大，煤壁處瓦斯濃度達到最高3.4%。

綜上所述可以看出采煤過程中釋放的瓦斯以及采空區涌入工作面的瓦斯造成了工作面瓦斯超限的現象，且回風一側瓦斯濃度最高達到了3.4%，瓦斯涌出量達到了48.9m3/min，沿工作面X 軸方向上，回風一側為工作面瓦斯積聚的主要區域，工作面Z 軸方向上，瓦斯濃度整體表現為上部> 下部> 中部，工作面Y 軸正向上，瓦斯濃度較高點都位于煤壁以及采空區側。

2.3 上隅角瓦斯涌出分布規律

經過上述觀測后可以看出工作面瓦斯涌出規律，本礦井采用U 型通風，上隅角因為風向轉變過快容易出現瓦斯積聚現象，為此為了了解上隅角瓦斯濃度及分布情況，運用單元法對上隅角區域進行了劃分，共10 個區域，進行監測后將數據進行整理得到了圖

3 所示的上隅角瓦斯等值線圖。

圖3 上隅角瓦斯等值線圖

由圖3 可知，上隅角靠近頂板以及采空區側瓦斯濃度偏高，且上隅角瓦斯濃度最高達到3.4%，而在豎直方向上瓦斯濃度的增加速率明顯高于水平方向。

3 瓦斯治理方案

3.1 采空區高位鉆孔抽采

在經過現場實測及分析后，得悉上隅角瓦斯聚積是因為采煤所揭露煤壁瓦斯釋放和采空區瓦斯的涌出，并且容易向高處逸散。為此選用高位鉆孔抽采技術[4]對9104 工作面上隅角瓦斯進行治理，鉆孔布置在9104 工作面風巷，編組號為1- 8 組，除第4 組布置有6 個鉆孔外，其余 7 組各 3 個鉆孔，共27 個，鉆孔方位角為 18.5 ～36.0 ，孔深 97～130m 不等，鉆孔終孔位置距離頂板垂距從第1 組的20m 逐漸增大為第8 組的55m，各組之間每次遞增5m，開孔位置距風巷底板1.8m，詳細布置如圖4 所示。

圖4 鉆孔位置示意圖

3.2 效果檢驗

為了驗證抽采效果，應用fluent 軟件對9104 工作面抽采后進行了建模，采空區模型的各邊界條件為：進風巷為固定進風口、回風巷為自由出風口，工作面風量設置為2040 m3/min，抽采負壓為20Kpa，鉆孔直徑為0.1m，根據采空區區帶劃分為自燃堆積區、載荷影響區、壓實穩定區[2-3]，三區碎脹系數分別為1.5、1.3、1.1，孔隙率為 0.333、0.231、0.091，建模后得出了抽采結果如圖5 所示。

圖5 抽采前后瓦斯濃度立體分布模擬圖

觀察圖5（a）（b）中瓦斯濃度沿走向分布情況，可以看出在抽采后采空區深部瓦斯濃度相對較高，瓦斯濃度為27%，但靠近工作面區域里瓦斯濃度有了明顯下降，瓦斯濃度僅為0.3%～0.7%，而上隅角瓦斯濃度為0.1%～0.5%之間，有效緩解了工作面及上隅角瓦斯超限問題。

觀察圖5（a）（b）中瓦斯濃度沿傾向分布情況，在采空區深處瓦斯總體分布規律依然為回風側> 工作面中部> 進風側，但在工作面淺部區域有了明顯改變，工作面回風側大體上與進風側處瓦斯濃度一致，細微處瓦斯濃度依然為回風側> 進風側，自燃堆積區瓦斯濃度有了明顯改善，瓦斯濃度最高位1.7%，低瓦斯區域占比相比抽采前有了提高，抽采效果良好。

觀察圖5（a）（b）中在垂直方向上，瓦斯規律基本上沒有大的變化，依然為上部> 下部> 中部，但在瓦斯逸散的過程中，上部瓦斯濃度增加比率有了明顯的降低，未抽采前工作面上隅角上部最高瓦斯濃度為3.6%，抽采后最高瓦斯濃度降低為0.5%，采空區深部即壓實穩定區最高瓦斯濃度將為了27%，降低了36%左右，從中可以看出抽采后采空區瓦斯濃度有所下降，工作面空氣情況得到了優化。

3.3 現場實測

由3.2 中模擬得出高位瓦斯抽采可以有效降低上隅角瓦斯的濃度，對采空區瓦斯治理起到了較好的效果，為此在9104 工作面進行工業實踐后，現場收集數據得出圖6、圖7。

圖6 9104 工作面回風巷瓦斯濃度

圖7 9104 工作面瓦斯抽采率

觀察圖6 以及圖7 中數據可以明顯看出9104 工作面瓦斯濃度都在0.6%以下，其中風巷末尾以及上隅角處瓦斯濃度最高值僅為0.52%左右，相比未抽采前降低了85.6%，而瓦斯抽采率穩定在30%～60%之間，抽采效果較好，有效緩解了工作面以及上隅角的瓦斯超限情況。

4 結 論

1）通過在工作面布置測站得出現場實測數據，分析后得出9104 工作面瓦斯涌出量來源為采煤新揭露煤壁的解吸和采空區瓦斯的涌出，沿工作面X 軸方向上，回風一側瓦斯濃度為進風側瓦斯濃度的5 倍左右，工作面Z 軸方向上，瓦斯濃度整體表現為上部> 下部> 中部，工作面Y 軸正向上，瓦斯濃度較高點都位于煤壁以及采空區側。

2） 通過單元法得出的等值線圖得出了上隅角瓦斯在空間方位上，越靠近順槽頂板和采空區處瓦斯濃度越高，且上隅角瓦斯濃度最高達到3.4%，而在豎直方向上瓦斯濃度的增加速率明顯高于水平方向。

3） 經過數值模擬得出高位抽采鉆孔技術應用效果良好，工業實踐后得出上隅角瓦斯濃度在0.10%～0.5%之間，抽采率達到了30%以上，瓦斯超限情況得到了較好的治理。