綜放面走向高抽巷瓦斯抽采技術(shù)研究

王振剛　白志鵬(潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦,山西省長(zhǎng)治市,046102)

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綜放面走向高抽巷瓦斯抽采技術(shù)研究

王振剛白志鵬
(潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦,山西省長(zhǎng)治市,046102)

摘 要為解決五陽(yáng)礦7603綜放面瓦斯超限問題,提出了布置走向高抽巷瓦斯治理方案。通過數(shù)值模擬研究了走向高抽巷在不同抽采負(fù)壓條件下瓦斯治理效果,得出了高抽巷最佳負(fù)壓抽采參數(shù),確定了走向高抽巷瓦斯抽采管路、配套設(shè)備及密封墻的設(shè)計(jì)形式?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:采用走向高抽巷瓦斯抽采方案后,抽采瓦斯純量平均為22m3/min,抽采量占瓦斯涌出量的50%左右,工作面瓦斯?jié)舛染刂圃谠S可范圍內(nèi),有效地解決了該綜放面瓦斯嚴(yán)重超限的難題。

關(guān)鍵詞綜采放頂煤工作面 瓦斯超限 高抽巷 數(shù)值模擬 抽采負(fù)壓 最佳參數(shù)

近年來瓦斯超限一直是困擾高瓦斯礦井安全高效生產(chǎn)的一大難題,對(duì)此國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在瓦斯治理方面做出了重大研究。婁金福以覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育的O形圈理論為指導(dǎo),研究了高抽巷分別布置在頂板不同高度的層位上時(shí),其與回風(fēng)巷水平距離以及與切眼間距離之間的相互關(guān)系;李迎超、張英華等通過Fluent軟件模擬了不同空間布置參數(shù)條件下的高抽巷抽放效果,研究了高抽巷空間布置參數(shù)與高抽巷瓦斯抽放效果之間的關(guān)系;李曉泉通過在回采期間采用高抽巷抽放采空區(qū)瓦斯時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析,推導(dǎo)出了高抽巷抽放瓦斯量與風(fēng)排瓦斯量之間的關(guān)系模型,并通過數(shù)學(xué)方法證明了其合理性;西銘礦、大佛寺礦、張集礦等應(yīng)用高抽巷有效地防治了采空區(qū)瓦斯大量涌出的現(xiàn)象,解決工作面瓦斯超限問題。本文針對(duì)五陽(yáng)礦瓦斯超限的難題,結(jié)合工作面地質(zhì)狀況,提出了采用布置走向高抽巷瓦斯治理方案,并取得了顯著效果。

1　工程概況

五陽(yáng)礦是一座核定生產(chǎn)能力為190萬(wàn)t/a的大型礦井,目前主采＋600m水平,采用綜采放頂煤開采,全部垮落法管理頂板。主采3＃煤層屬于穩(wěn)定性煤層,煤層厚度4.84～7.32m,平均厚度6.05 m,含煤系數(shù)11.20%。煤層頂板主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖,局部為粉砂巖或細(xì)粒砂巖,厚度0.61～18.51 m;底板主要是泥巖,局部為細(xì)粒砂巖或粉砂巖,厚度0.20～6.10m,一般2.80m。根據(jù)2014年瓦斯涌出量測(cè)定結(jié)果,五陽(yáng)煤礦屬于高瓦斯礦井,礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為106.59m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量為15.72m3/t。

7603工作面開采3＃煤層,工作面最大瓦斯含量為6.17m3/t,殘存瓦斯含量為2.48m3/t,可解吸瓦斯含量為3.69m3/t,瓦斯壓力為0.22 MPa。工作面布置運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、內(nèi)錯(cuò)式瓦斯尾巷及高抽巷,其中,運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng),回風(fēng)巷及內(nèi)錯(cuò)式尾巷回風(fēng),高抽巷為專用抽采巷道。內(nèi)錯(cuò)式瓦斯尾巷布置在煤層頂板上3m處,與回風(fēng)巷間距20m;高抽巷布置在煤層頂板上35m處,與回風(fēng)巷間距40m。

7603工作面鄰近的7601工作面和7605工作面均已開采完畢,頂?shù)装寰咽艿狡茐?為瓦斯從裂隙涌出提供了必要條件。7603綜放面走向高抽巷平面布置圖如圖1所示。

圖1　7603綜放面走向高抽巷平面布置圖

2　工作面瓦斯涌出源

根據(jù)已采工作面瓦斯涌出量測(cè)定,7603工作面瓦斯涌出來源主要為采空區(qū)瓦斯,采空區(qū)瓦斯可分為鄰近層及圍巖瓦斯、丟煤瓦斯、支架頂煤壁瓦斯、相鄰采空區(qū)瓦斯。這幾部分瓦斯按各自規(guī)律混合涌入采空區(qū),此后在漏風(fēng)及氣壓濃度差的作用下涌向工作面,造成該工作面瓦斯?jié)舛葒?yán)重超限。

3　高抽巷瓦斯抽采系統(tǒng)參數(shù)確定

在回采期間,為有效解決7603工作面瓦斯嚴(yán)重超限問題,提出在距回風(fēng)巷平距40m、垂距35 m處布置走向高抽巷瓦斯治理方案,工作面采用U＋I(xiàn)＋G通風(fēng)方式,在此基礎(chǔ)上采用FLUENT軟件對(duì)在不同抽采負(fù)壓條件下瓦斯抽采效果進(jìn)行模擬研究。

3.1走向高抽巷合理抽采負(fù)壓數(shù)值模擬

為確定合理高抽巷抽采負(fù)壓,在確定合理通風(fēng)系統(tǒng)、高抽巷布置層位及進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速的基礎(chǔ)上,分別設(shè)定在1.5kPa、2.5kPa、3.5kPa3種不同抽采負(fù)壓條件下的瓦斯抽采方案,并對(duì)高抽巷瓦斯抽采效果進(jìn)行分析。由不同抽采負(fù)壓下不同位置瓦斯?jié)舛确植荚茍D可以看出,走向高抽巷抽采效果與抽采負(fù)壓息息相關(guān),當(dāng)抽采負(fù)壓為1.5kPa時(shí),上隅角瓦斯?jié)舛葹?.68%,采場(chǎng)瓦斯?jié)舛葹?.59%;抽采負(fù)壓為2.5kPa時(shí),上隅角瓦斯?jié)舛认陆递^大,為0.56%,采場(chǎng)瓦斯?jié)舛葹?.53%;而當(dāng)抽采負(fù)壓為3.5kPa時(shí),上隅角瓦斯及采場(chǎng)瓦斯?jié)舛染兓^小,分別為0.54%和0.51%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以分析出走向高抽巷抽采負(fù)壓在1.5～2.5 kPa變化時(shí),采場(chǎng)瓦斯?jié)舛冉档头容^為明顯;抽采負(fù)壓在2.5～3.5kPa變化時(shí),采場(chǎng)瓦斯?jié)舛仁芨叱橄锍椴韶?fù)壓影響微弱。主要是因?yàn)楦叱橄锍椴韶?fù)壓增加時(shí),能有效拉升抽取下部采空區(qū)瓦斯,從而對(duì)采空區(qū)涌出瓦斯形成分流;但如果在抽采強(qiáng)度過高的情況下,工作面漏風(fēng)量相對(duì)增加,從而打破了采空區(qū)瓦斯平衡狀態(tài),使深部瓦斯向淺部運(yùn)移,造成瓦斯?jié)舛葴p少趨勢(shì)變緩。故走向高抽巷最優(yōu)抽采負(fù)壓應(yīng)設(shè)定在2.5kPa左右。

3.2抽采管路的確定

根據(jù)計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定地面主管選用D820mm×10mm螺旋焊接鋼管;管道井主管選用D820mm×15mm螺旋焊接鋼管;井下采區(qū)專用回風(fēng)巷干管選用D630mm×8mm礦用瓦斯鋼管;巷道支管選用D400 mm×6 mm礦用瓦斯鋼管。

選用2臺(tái)功率為900kW CBF810－2型水環(huán)式真空泵,1運(yùn)1備;低負(fù)壓抽采系統(tǒng)規(guī)模為40m3/min。

3.3走向高抽巷密封墻設(shè)計(jì)

高抽巷采用2道封閉墻進(jìn)行密閉,厚度均為1000mm;掏槽深度300mm,兩道封閉墻間距為2.2m,在封閉墻中間用水泥砂漿進(jìn)行充填,并在高抽巷外2.5m范圍內(nèi)進(jìn)行噴漿處理。高抽巷封閉示意圖如圖2所示。

圖2　走向高抽巷封閉示意圖

4　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

針對(duì)7603綜放工作面瓦斯涌出量大的難題,在掘進(jìn)階段,采用邊掘邊抽和采前預(yù)抽的方式。由于80%的瓦斯來源于開采層,所以采用巷道布置鉆孔的預(yù)抽瓦斯治理方案對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行預(yù)抽治理:在7603回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷施工孔間距1m、孔深100m、孔徑115mm的采前預(yù)抽鉆孔,回風(fēng)巷施工鉆孔1962個(gè),鉆孔進(jìn)尺178108m;運(yùn)輸巷施工鉆孔1442個(gè),鉆孔進(jìn)尺118727m;在工作面切眼施工預(yù)抽鉆孔,孔間距1m、孔深60m、孔徑115mm,共施工鉆孔135個(gè),鉆孔進(jìn)尺8378m。

7603綜放工作面回采期間,采用走向高抽巷對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行抽采。高抽巷端頭距開切眼距離為10m,當(dāng)工作面推進(jìn)10m后,高抽巷開始抽采。運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)量為42m3/s,回風(fēng)巷回風(fēng)量為25 m3/s,工作面瓦排巷回風(fēng)量為12m3/s。

頂板高抽巷抽采瓦斯量及其占總涌出量的比例如圖3所示。由圖3可以得出,高抽巷從2015年3月10日開始抽采,由于定向水力壓裂技術(shù)在開切眼處的應(yīng)用,工作面老頂初次垮落步距控制在10m內(nèi),隨工作面的推進(jìn),高抽巷的瓦斯抽采濃度和抽采量逐漸增加,且在3月18日之后,瓦斯抽采量和涌出量逐漸趨向于穩(wěn)定,此時(shí)走向高抽巷抽采瓦斯純量17～27m3/min,平均22m3/min,抽采量占瓦斯涌出量的40%～50%左右。

圖3　頂板高抽巷抽采瓦斯量及其占總涌出量的比例

采用布置走向高抽巷瓦斯治理方案后,內(nèi)錯(cuò)瓦斯尾巷瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.9%～2.3%,上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛染刂圃?.7%以內(nèi),實(shí)現(xiàn)了7603綜放面安全高效生產(chǎn)。

5　結(jié)論

(1)通過FLUENT數(shù)值模擬研究了高瓦斯礦井在不同瓦斯抽采負(fù)壓條件下走向高抽巷瓦斯抽采效果,確定了最佳抽采負(fù)壓為2.5kPa。

(2)確定了走向高抽巷瓦斯抽采管路、配套設(shè)備及密封墻布置方案,為相似地質(zhì)條件下的工程提供借鑒。

(3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:采用走向高抽巷瓦斯治理方案后,抽采瓦斯純量平均為22m3/min,抽采量占瓦斯涌出量的40%～50%左右,且內(nèi)錯(cuò)瓦斯尾巷瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.9%～2.3%,上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛染刂圃?.7%以內(nèi),實(shí)現(xiàn)了7603綜放面安全高效回采。

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(責(zé)任編輯張艷華)

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Studyonthetechniqueofgasdrainageinthestrikehighdrainageroadway ofthetopcoalcavingface

WangZhengang,BaiZhipeng
(ChangcunCoalMine,Lu＇anEnvironment& EnergyDevelopmentCo.,Ltd.,Changzhi,Shanxi046102,China)

AbstractInordertosolvethegasoverrunningofNo.7603topcoalcavingfaceintheWuyangCoalMine,thegascontrolscheme,inwhichthestrikehighdrainageroadwaywaslayout. Thegastreatmenteffectofstrikehighdrainageroadwayunderdifferentnegativepressureof drainagewasstudiedbynumericalsimulation,andthentheoptimumdrainageparameterswere obtained,furtherthegasdrainagepipe,supportingequipmentanddesignofsealingwallweredetermined.Fieldexperimentaldatashowthattheaveragenetgasquantityreaches22m3/minafter adoptingthegasdrainageinthestrikehighdrainageroadway,thegasdrainagequantityaccountedforabout50%ofgasemissionquantity,gasconcentrationintheworkingfaceisintherange ofpermission,whicheffectivelysolvestheseriousgasoverrunninginthetopcoalcavingface.

Keywordsthetopcoalcavingface,gasoverrunning,highdrainageroadway,numerical simulation,negativepressureofdrainage,optimumparameter

中圖分類號(hào)TD712.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

作者簡(jiǎn)介:王振剛(1981－),男,山西太原人,碩士研究生,現(xiàn)任潞安集團(tuán)常村煤礦副總工程師,從事通風(fēng)安全和瓦斯防治工作。