特厚煤層綜放面采空區(qū)綜合瓦斯治理技術(shù)研究

李軍藝

(山西平舒煤業(yè)有限公司，山西 030600)

1 工作面概況

某礦18205綜放工作面走向長(zhǎng)為1200m，傾斜長(zhǎng)度160m，煤厚為14.8m，工作面共布置一進(jìn)兩回三條巷道，18205進(jìn)風(fēng)巷、18205回風(fēng)巷沿底板掘進(jìn)，18205回風(fēng)巷與鄰近18207采空區(qū)之間的煤柱寬度為6m，工作面布置如圖1所示。正常生產(chǎn)時(shí)絕對(duì)瓦斯涌出量為38.47m/min。

圖1 工作面布置

2 瓦斯治理方案設(shè)計(jì)

某礦采用地面立孔、L型鉆孔和高抽巷來(lái)治理采空區(qū)瓦斯，為了研究三種采空區(qū)瓦斯治理方法的效果，消除上隅角瓦斯超限對(duì)工作面安全生產(chǎn)的影響，依據(jù)18205綜放工作面的實(shí)際情況，在18205綜放面生產(chǎn)時(shí)分階段實(shí)施地面立孔、L型鉆孔和高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯。地面立孔服務(wù)階段為從開(kāi)切眼到330m處；L型鉆孔服務(wù)階段為從350m到550m處；高抽巷服務(wù)階段為從550m到停采線處，三種瓦斯抽采方式布置如圖2所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)抽采參數(shù)并分析抽采效果，為某礦采空區(qū)瓦斯治理奠定基礎(chǔ)。

2.1 18205綜放面覆巖演化規(guī)律

依據(jù)某礦18205綜放面的具體情況，借助CDEM軟件來(lái)研究18205綜放面覆巖演化規(guī)律，模型長(zhǎng)度x為520m，高度y為180m。設(shè)置模型的邊界條件：在x方向的兩側(cè)施加位移約束，在y方向的底部施加位移約束，在模型上部施加8.75MPa垂直應(yīng)力，模擬上覆400m左右的巖層自重壓力。

先對(duì)18207綜放面開(kāi)挖，等到18207綜放面結(jié)束開(kāi)挖，對(duì)18205綜放面進(jìn)行開(kāi)挖，在采動(dòng)的影響下，18205綜放面上覆巖層斷裂破碎開(kāi)始垮落，形成明顯的“兩帶”—垮落帶和斷裂帶，在采空區(qū)的邊界處上部關(guān)鍵層變成鉸接形式，下部關(guān)鍵層發(fā)生斷裂破碎，逐漸演化為懸臂梁結(jié)構(gòu)。通過(guò)模擬結(jié)果可知，綜放面垮落帶最大發(fā)育高度為54m，斷裂帶最大發(fā)育高度為150m。

2.2 地面立孔布置參數(shù)

為了最大限度將18205工作面上隅角位置積聚的瓦斯抽走，依據(jù)“O”型圈原理，設(shè)計(jì)地面立孔必須靠近18205回風(fēng)巷，即把地面立孔內(nèi)錯(cuò)18205回風(fēng)巷12～42m。依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，地面立孔的終孔位置距底板12～54m。為了保證兩個(gè)地面立孔的接替式抽采，在走向上每48m布置一個(gè)地面立孔。

借助CFD數(shù)值模擬實(shí)施地面立孔抽采后，18205回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，發(fā)現(xiàn)未采取地面立孔抽采時(shí)，回采期間18205回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冗_(dá)到2.2%，而采取地面立孔抽采后，18205回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛蕊@著降低，下降到0.63%，表明地面立孔抽采效果良好。

2.3 L型鉆孔布置參數(shù)

根據(jù)18205綜放工作面上覆巖層演化規(guī)律和地表實(shí)際情況，將L型鉆孔布置在18207綜放面對(duì)應(yīng)的地表附近，施工L型鉆孔立孔深度為120m，接著鉆孔開(kāi)始拐彎傾斜，長(zhǎng)度為206.5m，最后鉆孔沿著水平鉆進(jìn)，終孔位置和頂板的距離為45m，且內(nèi)錯(cuò)18205回風(fēng)巷30m，L型鉆孔位于瓦斯上浮聚集區(qū)，可以充分抽采采空區(qū)瓦斯。L型鉆孔三維軌跡如圖3所示。借助CFD模擬實(shí)施L型鉆孔后18205回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，模擬結(jié)果表明：實(shí)施L型鉆孔后18205回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉档偷?.45%，而上隅角瓦斯?jié)舛葹?.1%。

圖3 L型鉆孔三維軌跡

2.4 高抽巷參數(shù)

高抽巷與煤層的間距決定采空區(qū)瓦斯的抽采效果。依據(jù)18205工作面覆巖演化規(guī)律，將高抽巷布置在18205工作面的斷裂帶內(nèi)，高抽巷與工作面的間距為55m，且內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷25m。借助CFD數(shù)值模擬實(shí)施高抽巷技術(shù)后，發(fā)現(xiàn)18205回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛蕊@著減小，降低到0.22%，證明高抽巷與工作面的間距合理，能夠明顯減小工作面回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛?，同時(shí)采空區(qū)瓦斯?jié)舛纫诧@著下降，抽采效果顯著。

實(shí)施地面鉆孔和高抽巷抽采工藝后，回風(fēng)巷和采空區(qū)瓦斯?jié)舛认陆碉@著，抽采效果良好。

3 抽采效果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)三種工藝的抽采效果

地面立孔自2017年6月24日至9月15日開(kāi)始抽采采空區(qū)瓦斯，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到瓦斯抽采濃度為2.4%，最大純量是30m3/min，最小純量是10m3/min，平均抽采純量是21m3/min，抽采瓦斯量累計(jì)達(dá)到223.8萬(wàn)m3，占18205工作面瓦斯涌出量的45%～68%。

L型鉆孔自8月16日至9月14日開(kāi)始抽采18205工作面的瓦斯，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采濃度不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?1.2%，瓦斯?jié)舛茸畹蜑?.1%，瓦斯抽采純量是4.2m3/min，波動(dòng)幅度較大，原因是18205綜放面周期來(lái)壓時(shí)，頂板破碎冒落被壓實(shí)，致使覆巖裂縫裂隙閉合，瓦斯運(yùn)移的通道不存在。抽采瓦斯量累計(jì)為179.8萬(wàn)m3。

高抽巷自9月11日至11月14日開(kāi)始抽采工作面瓦斯，但此時(shí)工作面處于停采狀態(tài)，高抽巷最大瓦斯抽采純量為38m3/min，平均32m3/min，最小為9m3/min，9月15日之前高抽巷未與工作面全部貫通，只通過(guò)覆巖裂隙抽采工作面及采空區(qū)瓦斯，所以抽采效果不理想，9月15日抽采濃度和純量逐漸升高，證明高抽巷與工作面貫通完全，覆巖裂隙充分發(fā)育，為瓦斯運(yùn)移提高了良好的運(yùn)移通道，大量的采空區(qū)瓦斯被抽走，累計(jì)抽采瓦斯純量為236.4萬(wàn)m3，共占18205綜放面瓦斯涌出量的62%～88%。

圖4 抽采濃度對(duì)比

3.2 抽采效果對(duì)比

三種抽采工藝的瓦斯?jié)舛群图兞侩S時(shí)間變化規(guī)律如圖4、5所示。從圖4發(fā)現(xiàn)高抽巷內(nèi)瓦斯?jié)舛绕骄鶠?6%，最大值是42%，明顯超過(guò)L型鉆孔和地面立孔，而L型鉆孔內(nèi)平均瓦斯抽采濃度為18%，地面立孔瓦斯抽采濃度平均值2.4%，L型鉆孔平均瓦斯抽采濃度是地面立孔的8倍。這是因?yàn)榈孛媪⒖捉K孔點(diǎn)離煤層底板近，漏風(fēng)較大導(dǎo)致瓦斯抽采濃度低；而高抽巷布置在上覆巖層的斷裂帶內(nèi)，L型鉆孔僅有一段位于垮落帶內(nèi)，沿著覆巖裂隙通道大量瓦斯運(yùn)移到高抽巷中，因此高抽巷瓦斯抽采濃度最高，L型鉆孔次之，地面立孔最低。

圖5 三種瓦斯治理方法抽采純量對(duì)比

從圖5得到三種工藝抽采起始階段抽采純量都較低，但隨工作面的不斷開(kāi)采，瓦斯抽采純量不斷升高，地面立孔和高抽巷的抽采純量明顯升高，平均值分別為21m3/min、32m3/min；而L型鉆孔瓦斯純量較低，平均值僅是6m3/min。地面立孔抽采濃度雖然比L型鉆孔低，但地面立孔瓦斯純量卻大于L型鉆孔，原因是采用地面立孔治理采空區(qū)瓦斯時(shí)，需要至少同時(shí)布置3個(gè)地面立孔抽采18205采空區(qū)瓦斯，瓦斯抽采混合流量高，因此地面立孔的純量高于L型鉆孔抽采純量；L型鉆孔直徑相對(duì)較小，水平方向上鉆孔位于覆巖斷裂帶內(nèi)，隨著工作面的推進(jìn)過(guò)程頂板巖石不斷垮落破碎，覆巖裂隙得到充分發(fā)育，為采空區(qū)瓦斯運(yùn)移提供良好的運(yùn)移通道。但由于頂板周期來(lái)壓期間，上覆巖層跨落后被壓實(shí)，覆巖裂隙閉合，瓦斯運(yùn)移通道不存在，瓦斯抽采濃度變小。周期加壓過(guò)后，覆巖裂隙又開(kāi)始再次發(fā)育，大量的瓦斯運(yùn)移到鉆孔中，抽采濃度再次升高。L型鉆孔抽采濃度和抽采純量突然趨近為0，之后又恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)，如圖4、5所示。

實(shí)施三種瓦斯治理方法后18205上隅角瓦斯?jié)舛蕊@著降低，最大為0.42%，最小為0.1%，平均值為0.2%，如圖6所示。上隅角瓦斯?jié)舛仍?月16日到9月14日期間較高，原因是此階段僅L型鉆孔在為工作面服務(wù)，抽采效果不如地面立孔和高抽巷，但未瓦斯超限。

圖6 18205綜放面上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€

地面立孔具備直徑較小，施工較簡(jiǎn)單，效率較高；L型鉆孔施工過(guò)程中鉆孔方向經(jīng)常發(fā)生變化，施工過(guò)程較為復(fù)雜，效率較低，工程造價(jià)也比地面鉆孔高；高抽巷具有便于管理和觀測(cè)，易于控制瓦斯涌出量，可以提前解放同一煤層或下一煤層回采期間工作面的瓦斯壓力，抽采量大。綜合以上某礦區(qū)采用地面立孔和高抽巷的工藝治理采空區(qū)瓦斯。