大采高工作面采空區瓦斯抽采技術應用

王超遠 楊振寧

（1.神東煤炭集團公司寸草塔二礦，內蒙古 鄂爾多斯 017209；2.陽泉市上社煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045100）

1 工程概況

陽泉市上社煤炭有限責任公司（上社煤礦）位于盂縣南婁鎮北上社村南，開采15#煤層位于太原組（C3t）底部，為主要可采煤層，煤層厚4.3～5.9 m，平均厚度5.0 m。回采工作面最大瓦斯涌出量為40.13 m3/min。15#煤層回采工作面采用條帶式布置，15115 回采工作面是其第七個工作面。本工作面采用傾向長壁后退式綜合機械化采煤法，其北部為15117 工作面（未采掘），南側為已回采的15113工作面，東為回風大巷，西側為井田邊界。工作面井下標高+744～810 m。15115 綜采工作面采用本煤層、采空區瓦斯抽采進行瓦斯治理。往期工作面回采期間，上隅角瓦斯常出現超限情況，影響礦井的安全高效生產。鑒于此，以15115工作面為工程背景，對采空區瓦斯抽采技術進行優化研究。

2 覆巖垮落規律相似模擬研究

以15115 工作面及上覆巖層為工程背景建立相似物理模型，模擬分析工作面回采期間沿工作面推進方向上覆巖層的裂隙演化分布規律，為采空區瓦斯抽采技術的設計優化提供指導。采用錢鳴高院士的關鍵層理論對工作面上覆巖層進行判別，得到模型柱狀圖原型如圖2。模型幾何相似比1:100，應力相似比1:150，上覆巖層模擬總厚度為102 m，剩余巖層不再模擬。經計算將上覆巖層等效為0.04 MPa的垂直應力。模型主要材料為河沙、石膏、水、云母粉，模型底部為固定約束，兩側其前后邊界設置單向位移約束。模型初次開挖位置距模型邊界30 cm，共開挖140 cm，模擬工作面回采140 m。

圖1 15115 工作面布置平面圖

圖2 巖層柱狀圖及模擬結果

工作面推進140 m 后，上覆巖層運移垮落規律如圖2（b）。巖體宏觀裂隙開度大于3 mm 即為發育裂隙[1]，物理模型相似比1:100，則模型上可見裂隙均為發育裂隙。頂板巖層一定高度范圍內橫向、豎向裂隙交叉貫通，巖層被分割成各種形狀的塊體，塊體間裂隙縫隙較大，該部分巖層可判斷為冒落帶。橫向裂隙與豎向裂隙的形成是相互影響的，巖層離層后產生橫向貫通大裂隙，但豎向裂隙未貫通發育，巖層未碎裂成塊，該部分巖層可判定為裂隙帶。根據以上原則可得，15115 工作面采空區冒落帶發育高度17.5 m，裂隙帶高度范圍為17.5～58.5 m。

隨著工作面的回采，采空區中間部分的冒落巖石將重新壓實擠密，中部形成壓實區，采空區四周一定寬度的裂隙區形成“O”形圈[2]。該區域巖層離層產生大量貫通裂隙，采空區煤巖體解吸出的瓦斯賦存于該區域，形成瓦斯富集“O”形區域。以工作面推進74 m 和115 m 為例，水平方向裂隙區、壓實區分布情況如圖3（a），切眼方向采空區邊界處裂隙區寬度為27 m，緊鄰工作面后方裂隙區寬度分別為19 m、21 m。由此可知，工作面后方0～20 m 為裂隙發育區。結合15115 工作面采掘工程平面圖及“O”形圈理論，可知采空區瓦斯運移情況如圖3（b）。采空區上部裂隙帶形成高位高濃度瓦斯流動圈，該部分瓦斯主要通過高位鉆孔進行抽采，工作面后方裂隙區形成低位低濃度瓦斯流動帶。這兩個區域的瓦斯可通過裂隙、裂縫運移至回采工作面，是導致工作面風流、上隅角瓦斯濃度升高的重要因素。因此低位瓦斯流動帶可采用埋管抽采技術。

圖3 采空區水平方向裂隙區及瓦斯運移規律

3 “O”形圈瓦斯層位探測及抽采設計

3.1 瓦斯富集區探測

采場覆巖裂隙帶發育范圍為17.5～58.5 m，為確定最佳的高位鉆孔布置層位，需進一步掌握采空區瓦斯垂直方向的分布情況。因此，在15115 工作面回采初期，通過探測鉆孔監測采空區覆巖內瓦斯濃度。探測孔鉆場設置在15115 回風順槽，距切眼100 m，終孔位置與回風順槽實體煤幫相距30 m，距15115 開切眼20 m，垂直高度分別為20 m、30 m、40 m，探測鉆孔布置如圖4（a）。鉆孔端頭處甲烷傳感器監測結果如圖4（b）。

圖4 采空區瓦斯區實測

低位探測孔抽采瓦斯純量為0～0.12 m3/min，瓦斯濃度一直保持在9.0%左右，低于12%，抽采流量為0～5.3 m3/min，平均為0.5 m3/min，抽采瓦斯濃度較低，抽采量及抽采純量均較小；中位探測孔抽采瓦斯純量為0.02～0.32 m3/min，瓦斯濃度在14.9%～22.8%間波動，平均值約為18%，抽采流量為0.6～6.5 m3/min，平均為3.3 m3/min，瓦斯濃度穩定且較高，抽采流量較大且較穩定；高位探測孔抽采瓦斯純量為0.01～0.10 m3/min，瓦斯濃度在6.4%～21.7%間波動，平均值約為13%，抽采流量為0.2～2.0 m3/min，平均為1.0 m3/min，瓦斯濃度波動變化較大，抽采流量較小。綜上，中位瓦斯探測孔瓦斯含量顯著高于其余兩個探測孔，即說明高位瓦斯抽采鉆孔的布置垂直層位為6 倍采高（30 m）。

3.2 高位鉆孔與回風順槽水平距離分析

采空區高位鉆孔與回風順槽水平距離過近，很可能出現抽出氣體與巷道內氣流連通，無法抽到高濃度瓦斯；如果距離過遠可能位于采空區中部的重新壓實區域，難以達到預想的效果。參閱相關研究成果[3-4]，抽采鉆孔在水平方向與順槽的距離x應滿足：

依據上社煤礦15115 工作面開采技術條件，采空區覆巖卸壓角為δ=57°，煤層傾角θ=5°，工作面長度L=200 m，冒落帶高度H=17.5 m，計算可得9.3 m ≤x≤66.7 m。

4 采空區瓦斯綜合抽采技術

4.1 高位鉆孔布置方案

根據15115 工作面開采技術條件，結合相似模擬研究及理論計算結果，15115 工作面可采長度約1500 m，共布置11 個鉆場，鉆場間距130～150 m，由外向里依次編號為1#～11#鉆場。以11#鉆場為例，其高位鉆孔布置方式如圖5。高位鉆孔通過回風順槽L 型鉆場施工，鉆場內錯回風順槽10 m 布置，鉆場在煤壁開口底板抬高1.5 m，鉆場施工處距煤層頂板3.0 m，每個鉆場布置12 個高位鉆孔，鉆孔終孔處垂直層位分別為25 m、30 m、35 m，與回風順槽內錯距離10～40 m，鉆孔直徑153 mm。

圖5 15115 工作面高位鉆孔布置詳情（mm）

4.2 埋管抽采低位瓦斯

工作面后方0～20 m 裂隙區內瓦斯采用后落山埋管技術進行抽采，確保上隅角瓦斯濃度不超限。抽采管干路直徑為500 mm，布置在回風順槽內，采空區埋管直徑為400 mm，管壁上預先加工多個小直徑篩孔作為進氣口，埋管間距為4 m，抽采負壓為15 kPa。

5 瓦斯治理效果分析

為驗證15115 工作面采空區綜合抽采技術的應用效果，在每個孔口處裝置有孔口流量監測器。以11#鉆場的9#鉆孔為例，其抽采瓦斯濃度及流量如圖6。

圖6 鉆孔瓦斯抽采量、抽采濃度

工作面與鉆場距離110～200 m，鉆孔未進入工作面回采上方，鉆孔進入工作面回采范圍內，瓦斯濃度升至峰值54%，瓦斯流量也達到峰值3.2 m3/min，之后瓦斯濃度在45%上下波動，瓦斯流量在2.5 m3/min 上下波動，抽采瓦斯濃度較高，流量穩定，抽采效果良好。15115 工作面回采期間，瓦斯總涌出量平均為20.8 m3/min，風排瓦斯流量平均為9.5 m3/min，抽采總量平均為11.3 m3/min。實施瓦斯綜合治理措施后，工作面瓦斯抽采率平均值為54.33%，抽采效果良好，工作面風流及上隅角瓦斯濃度穩定在0.4%左右，保證了工作面的安全回采。

6 結論

（1）依據15115 工作面地質條件，相似模擬研究得到采空區覆巖冒落帶發育高度為17.5 m，裂隙帶高度范圍為17.5～58.5 m，工作面后方低位裂隙區寬度為20 m。

（2）現場實測表明，距煤層頂板30 m 層位瓦斯濃度較高，高位鉆孔與回風順槽水平距離合理范圍為9.3 m ≤x≤66.7 m，據此設計高位鉆孔的布置方案，并設計采空區埋管抽采低位裂隙區內瓦斯。

（3）15115 工作面回采期間，高位鉆孔瓦斯單孔抽放量可達2.5 m3/min，工作面瓦斯抽采率均值54.33%，工作面風流及上隅角瓦斯穩定0.4%左右，瓦斯綜合抽采效果良好，保障了工作面的安全生產。