上社礦15310工作面回風順槽掘進工作面瓦斯治理技術研究

陳彥江

（陽泉市舊街煤業，山西 陽泉045000）

1 工程概況

陽泉煤炭運銷公司上社煤礦15310工作面位于三采區主要大巷南翼，工作面開采15#煤層，煤層均厚6.7m，平均傾角5°，普式硬度f=1～1.5，含有0～3層夾矸，煤層內部結構復雜，節理裂隙發育，煤層直接頂為K2石灰巖，均厚13.76 m，基本頂為砂質泥巖，均厚11.57 m，直接底為砂質泥巖，均厚2.1 m，基本底為細砂巖，均厚為6.15 m。15號煤層原始瓦斯壓力0.12～0.30 MPa，原始瓦斯含量6.11～9.93 m3/t，煤層透氣性系數0.151 8～0.194 7 m2/MPa2·d，自燃傾向性等級為Ⅲ，自燃傾向性為不易自燃。

15310工作面回風順槽沿煤層底板掘進，巷道凈寬×凈高=3.2 m×3.4 m，根據15號煤層的透氣性參數知煤層屬可抽放煤層，現為保障回風順槽掘進期間的安全，巷道掘進期間采用通風排放和超前預抽+順層鉆孔抽采相結合的瓦斯治理措施，實現降低煤層瓦斯含量的目的。

2 順層鉆孔抽采參數模擬分析

瓦斯抽采鉆孔布置時，順層抽采鉆孔的有效抽采半徑、鉆孔直徑、抽采負壓等3項均是影響瓦斯抽采效果的關鍵因素，現為合理抽采鉆孔的這3項參數，采用Comsol數值模擬軟件進行模擬分析，根據15310工作面地質條件，建立40 m×40 m的平面模型，模型建立時以鉆孔為中心，設置模型四周為對稱不滲流的邊界條件，根據工作面埋藏深度在鉆孔四周施加相對應的負壓，具體鉆孔各項參數的模擬結果如下：

1）鉆孔直徑模擬：為有效確定抽采鉆孔的直徑，現設置抽采負壓為13、15、20 kPa時，分別對鉆孔直徑為73、94、113 mm時瓦斯的抽采效果進行模擬分析，根據模擬結果繪制出不同抽采負壓、不同鉆孔直徑下瓦斯有效抽采半徑曲線如圖1所示。

圖1 不同抽采負壓、鉆孔直徑下有效抽采半徑曲線圖

分析圖1可知，在抽采負壓一定時，隨著鉆孔直徑的增大，鉆孔的有效抽采半徑在不斷增大，但隨著抽采時間的增長抽采半徑的增加幅度在不斷降低，在抽采負壓、抽采時間相同時，當鉆孔直徑為75～94 mm時有效抽采半徑增量相對較大，當鉆孔直徑超過94 mm后，此時鉆孔抽采半徑增量便逐漸減小；另一方面從瓦斯抽采效果考慮，大鉆孔能夠實現較好的抽采效果，但鉆孔過大時，此時施工難度較大，且鉆孔自身穩定性較差；在鉆孔直徑為91 mm時，此時鉆孔抽采120 d后，抽采半徑可達2.23～2.61 m，抽采效果良好，且鉆孔大小適中，基于上述分析確定瓦斯抽采鉆孔直徑為94 mm。

2）抽采負壓模擬：根據國內外眾多煤層瓦斯抽采方面的試驗研究與工程實踐[1-3]，本次數值模擬方案主要考慮抽采負壓為10、15和20 kPa時抽采時間與抽采半徑之間的關系，為較為合理的確定抽采負壓，設置在不同抽采直徑下進行不同抽采負壓的模擬分析，抽采鉆孔直徑分別設置為75、94、113 mm，分別在該3種鉆孔直徑下進行不同抽采負壓下抽采效果的分析，根據數值模擬結果可繪制出如圖2所示曲線。

圖2 不同抽采負壓下抽采時間與瓦斯抽采半徑曲線圖

根據相關研究表明[4-5]，在瓦斯抽采鉆孔抽采到120 d時，此時數值模擬分析得出的瓦斯抽采半徑與現實情況更加接近，故現以抽采時間為120 d時的抽采數據為分析依據。分析圖2可知，當抽采鉆孔直徑為75 mm時，抽采負壓從13 kPa增大為15 kPa時，瓦斯抽采半徑增大了0.19 m，增幅為9.5%，當抽采負壓有15 kPa繼續增大至20 kPa時，此時瓦斯抽采半徑增大了0.14 m，增幅為6.4%，同理在鉆孔直徑分別為94 mm和113 mm時，抽采負壓從13 kPa增大為15 kPa時，瓦斯抽采半徑增幅分別為10.31%和9.76%，抽采負壓從15 kPa增大為20 kPa時，瓦斯抽采半徑增幅分別為6.10%和7.28%。

綜合上述分析可知，抽采負壓由13 kPa增大為15kPa時，此時瓦斯抽采半徑的增長率約為10%，而隨著抽采負壓的進一步增大，抽采半徑的增長率出現一定程度降低的趨勢，綜合抽采效果及經濟各方面考慮，綜合確定抽采負壓為15 kPa。

3）鉆孔有效抽采半徑模擬：基于上述分析可知，瓦斯抽采鉆孔的最佳直徑為94 mm，最佳抽采負壓為15 kPa，根據數值模擬結果得出鉆孔在該參數不同抽采時間下瓦斯有效抽采半徑數據見表1。

表1 不同抽采時間下抽采半徑數據表

根據上述分析，結合表1中的數據，以瓦斯抽采鉆孔抽采120 d時的瓦斯抽采半徑作為參考依據，表中數據可知瓦斯抽采鉆孔在抽采120 d時，抽采的半徑為2.46 m；為保障15310工作面回風順槽掘進工作面的抽采效果，考慮到一定的損失系數，綜合確定有效抽采半徑為2.4 m。

3 瓦斯治理技術

3.1 瓦斯治理方案

1）巷道掘進所需風量與風機選擇：工作面按照瓦斯涌出量進行風量的計算時，計算公式如下：

式中：Qhm為按瓦斯計算掘進所需風量；Qm為掘進巷道平均瓦斯涌出量；Cp為回風流中CH4最大濃度；Ci為進風流內CH4濃度；根據掘進工作面的地質條件，確定取Qm=8.39 m3/min，Cp=1%，Ci=0%，Km=1.35，代入式（1）中計算得出所需風量Qhm=1 090.7 m3/min。

當按照局部通風機的供風量進行巷道所需風量的計算時，此時風量取為按照瓦斯涌出量計算數值的1.2倍[6]，為1 308.8 m3/min，壓入式通風風筒直徑為1 000 mm，風筒摩擦阻力計算公式為：

式中：Rf為風筒摩擦阻力；α為摩擦阻力系數；L為風筒長度；S為風筒斷面；U為風筒周長；結合工作面特征，取L=2 300 m，α=0.002 2 N s2/m4，計算得出Rf=32.8 N s2/m8，進一步可計算出風壓hf=32.8×92=3 896.7 Pa，基于此確定工作面所采用2臺風機時，所需風壓為3 896.7 Pa，風量最小為654.4 m3/min，據此將局部通風機選用4臺F BD N o7.1型通風機，風壓為1 500～7 000 Pa，風量為850 m3/min。

2）超前預抽鉆孔參數：在15310工作面回風順槽掘進作業時，每間隔60 m施工1個瓦斯抽采鉆場，設置同側鉆場的間距為120 m，在每個鉆場內布置6個瓦斯預抽鉆孔，鉆場斷面為梯形，與煤巷高差為2 m，鉆場布置在巷道兩側采用“邁步式”布置；每個鉆場內布置6個瓦斯抽采鉆孔，鉆孔初始直徑為94mm，擴孔直徑為113mm，鉆孔分2排布置，第1排鉆孔編號為1、3、5號，第2排鉆孔編號為2、4、6號，相鄰鉆孔高差為0.5 m，同排鉆孔的距離為0.6 m，具體各鉆孔的參數見表2，鉆場及鉆孔參數見圖3。

表2 抽采鉆孔布置參數表

圖3 鉆場及鉆孔布置平面圖

3）順層鉆孔布置位置：基于上述分析可知，瓦斯抽采鉆孔的有效半徑為2.4 m，不同鉆孔間距下瓦斯抽采效果如圖4所示。

圖4 不同瓦斯抽采間距下瓦斯抽采效果示意圖

根據上述分析知瓦斯抽采半徑為2.4 m，AB為煤壁高度的一半為1.7 m，根據三角函數計算得出BC=3.4 m，據此綜合確定鉆孔間距為3.4 m。設置每2個鉆場間布置36個鉆孔，鉆孔直徑為94 mm，鉆孔深度140 m，鉆孔在距離巷道底板1.7 m處開孔，沿著煤層傾斜方向施工，具體順層鉆孔布置見圖5。

圖5 順層鉆孔布置位置示意圖

3.2 效果分析

在15310工作面回風順槽掘進期間，通過對每日瓦斯抽采濃度和抽采流量進行監測，能夠得出抽采瓦斯濃度和抽采瓦斯純量曲線，如圖6所示。

圖6 瓦斯抽采濃度和流量曲線圖

分析圖6可知，隨著抽采方案的實施，抽采瓦斯濃度和瓦斯流量均呈現出逐漸增長的趨勢，抽采瓦斯濃度基本在4.0%～4.75%，抽采瓦斯流量基本在0.3～0.5 m3/min，抽采效率高；另外在工作面掘進期間，通過對掘進頭的瓦斯濃度測試可知，瓦斯平均濃度在0.44～0.51范圍內，保障了巷道的安全掘進。

4 結論

根據15310工作面的地質及開采條件，采用Comsol數值模擬進行順層鉆孔直徑、抽采負壓、有效抽采半徑的模擬分析，確定順層鉆孔直徑為94 mm，抽采負壓為15 kPa，基于數值模擬結果進行回風順槽掘進期間通風風量、抽采鉆孔參數的具體設計，根據抽采方案實施后的抽采數據監測可知，抽采方案實施效果顯著，為巷道的安全掘進提供了保障。