西陳莊煤業高位鉆孔抽采采空區瓦斯技術應用研究

趙夜兵

（山西澤州天泰西陳莊煤業有限公司， 山西 晉城 048000）

1 工程概況

山西澤州天泰西陳莊煤業有限公司位于澤州縣下村鎮北西直距約3.5 km 處，南東距晉城市直距約20 km，行政區劃隸屬澤州縣下村鎮管轄。該礦井田面積為2.93 km2，礦井生產規模為0.45 Mt/a，目前正在開采3號煤層。瓦斯絕對涌出量為10.7 m3/min，相對涌出量為10.47 m3/t，批復為高瓦斯礦井。

西陳莊煤業3201 綜放工作面生產能力0.45 Mt/a，服務年限1.3 a，生產期間上隅角瓦斯超限的問題一直影響著礦井的正常生產。據觀察，工作面瓦斯涌出量全部來自本煤層，沒有瓦斯來自鄰近層，并可分為采煤時瓦斯涌出、煤壁瓦斯涌出及其采空區瓦斯涌出三類。本文通過對國內外類似礦井瓦斯治理現狀進行調研，并結合本礦地質條件的了解，判斷在西陳莊煤業3201 綜放工作面設計采用高位鉆孔抽采采空區瓦斯技術，將有效解決采空區向工作面瓦斯涌出、上隅角及回風巷瓦斯超限的問題。

2 高位抽采下采空區瓦斯流動數值模擬

3201 綜放工作面走向長度為150 m、順槽長度分別為540 m，工作面平均煤厚5.55 m，煤層傾角5°，根據山西省煤炭工業局晉煤瓦發［2013］305號《關于晉城市2012年度礦井瓦斯等級和二氧化碳涌出量鑒定結果的批復》，西陳莊煤業瓦斯絕對涌出量為10.7 m3/min，相對涌出量為10.47 m3/t。為更加準確的判斷采空區瓦斯賦存規律、濃度分布等情況，采用CFD 數值模擬軟件對其進行建模分析[1-2]，用以指導高位鉆孔抽采采空區瓦斯的應用實踐。

為了對3201 工作面采空區瓦斯的運移規律有準確模擬分析，首先選用GAMBIT 建模軟件對采空區進行物理建模，如圖1。工作面與采空區建模尺寸設置如表1，模型的邊界條件設置：將采空區的四周均設定為壁面邊界條件（solid boundary condition），進風巷邊界條件設為質量入口（即mass flow inlet），3201 工作面總配風量為1080 m3/min，回風巷出口的壓力設為F出=0；采空區下層設置為壓力入口（pressure inlet），參考地層瓦斯壓力梯度的變化，設定入口壓力值F入=1.76 MPa。

表1 工作面與采空區建模尺寸 m

圖1 采空區物理模型

2.1 原有情況下采空區瓦斯分布圖

將FLUENT 模型經過計算后的實例導入TECPLOT 軟件中，并取H=2.0m的截面為觀測面，如下頁圖2 所示。可以看出抽采前采空區瓦斯濃度分布情況，即瓦斯濃度的高低隨工作面距離的增加而上升，且最高值位于采空區深部區域。分析認為，該區域屬于重新壓實區[3-4]，巖層重新受到已冒落矸石的支撐垂直移動減緩，透氣性較差，工作面供風能力難以將該區域的瓦斯有效的排出，導致瓦斯積聚的存在。并且，根據模擬結果可以看出，在未采取瓦斯抽采措施前，上隅角瓦斯的濃度約介于2.5%～5.0%之間，已經超出安全范圍，對3201 綜放工作面的安全生產有嚴重影響。

圖2 抽采前采空區瓦斯濃度分布云圖

2.2 高位鉆孔埋管抽采情況下采空區瓦斯分布

圖3 不同數量高位鉆孔條件下的模擬結果

結果如圖3 所示，經模擬采用高位鉆孔瓦斯抽采技術后，采空區瓦斯濃度發生顯著變化：

1）當高位鉆孔布置于距離工作面30m進行抽采時，采空區上隅角的瓦斯濃度由原來的35%～60%降低至15%～35%，瓦斯濃度降低明顯，并且分布范圍也顯著縮小。

2）當高位鉆孔布置在距離工作面30 m、60m抽采時，上隅角瓦斯的濃度降低至0.81%，采空區內30～60m的區域內，瓦斯濃度由之前的25%～45%降低至8%～15%。

3）在距離工作面30、60、90m的位置分別設置一個鉆孔時，采空區瓦斯濃度全面減小，上隅角瓦斯濃度進一步減小至0.65%。模擬結果顯示，針對本礦地質條件，高位鉆孔可以有效的解決上隅角瓦斯積聚的問題，當高位瓦斯抽采鉆孔在采空區每間隔30m布置抽采時，可以控制上隅角瓦斯濃度降至0.7%以內。

3 高位鉆孔應用效果分析

高位鉆孔進行采空區瓦斯的抽采要求較低的負壓，在回風順槽20m超前支護外沿頂板向上40°，向工作面20°打第一組高位鉆孔，以后有里向外每隔5 m一組（至回風順槽停采線），每組5個(間距0.3 m、孔深40 m、鉆孔直徑75 mm)。鉆孔技術參數見表2，鉆孔布置俯視圖見圖4，鉆孔布置側視圖見圖5。

表2 高位鉆孔技術參數表

圖4 鉆孔布置俯視圖

圖5 鉆孔布置側視圖

在6個高位鉆孔正常工作后，工作面每推進5 m監測一次瓦斯的濃度的變化，根據鉆孔與工作面的距離劃分為6個階段，每間隔5m為一個階段，所得結果如圖6 所示。

圖6 孔內瓦斯濃度隨著與工作面距離變化曲線圖

圖6 顯示，所布置的6個鉆孔，抽采瓦斯的濃度均大于2%，且主要集中于2.2%～3.8%之間。3201 綜采工作面高位鉆孔抽采瓦斯時，孔內瓦斯濃度隨與工作面距離總體呈上升趨勢，除6號孔外，其余呈現出先升后降的趨勢。鉆孔內瓦斯濃度達到最大值出現在鉆孔與工作面相距為25m時，當后續鉆孔工作抽采時，后方鉆孔內瓦斯濃度迅速降低。這是由于高位鉆孔所抽采瓦斯主要集中于采空區部分，關閉后方鉆孔能夠促進新鉆孔流量的增大，從而加強對于上隅角瓦斯的抽采，解決上隅角瓦斯積聚的問題。

4 結論

為了重點討論了西陳莊煤礦3201 綜放工作面采空區向工作面瓦斯涌出、上隅角及回風巷瓦斯超限的問題，通過查閱相關文獻資料、理論分析并結合數值模擬數據研究發現，高位鉆孔抽采可以有效地解決此問題。利用CFD 模擬軟件，根據3201 綜放工作面的具體地質條件，設計出了一套針對合理高效的瓦斯抽采措施，并對鉆孔布點位置進行了一定得優化，最后確定了當高位鉆孔的布置間距為30m時，對解決上隅角瓦斯積聚的問題達到最佳。根據現場監測數據顯示，實際所布6個鉆孔的瓦斯抽采濃度均在2%以上，且主要集中于2.2%～3.8%之間，抽采效果復合相關規程要求，最終保證了3201 綜放工作面的安全生產，取得了良好的實際應用經驗。