高瓦斯厚煤層綜放面采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)及應(yīng)用

唐一舉

摘 要：為了對申家莊煤礦2303工作面瓦斯進(jìn)行治理，保證礦井安全生產(chǎn)，對工作面瓦斯來源進(jìn)行分析，確定主要瓦斯涌出源為采空區(qū)瓦斯。通過理論計(jì)算、數(shù)值模擬的方法，確定瓦斯富集區(qū)域，提出高位鉆孔抽采技術(shù)和采空區(qū)埋管抽采技術(shù)措施，并進(jìn)行了工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：瓦斯涌出;富集區(qū)域;高位鉆孔抽采;采空區(qū)埋管抽采

中圖分類號(hào)：TD712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）31-0071-03

Gas Control Technology and Application in Goaf of Fully

Mechanized Caving Face in High Gas Thick Coal Seam

TANG Yiju

（Henan College Of Industry and Information Technology，Jiaozuo Henan 454000）

Abstract： In order to control the gas in the 2303 working face of Shenjiazhuang coal mine and ensure the safe production of the mine， this paper first analyzed the gas source of the working face and determines that the main gas emission source was the gas in the goaf. Through the method of theoretical calculation and numerical simulation， the area of gas enrichment was determined， and the technology of high-level drilling and underground pipe drainage in goaf were put forward.

Keywords： gas emission;enrichment area;high-level drilling and drainage;underground pipe drainage in goaf

隨著礦井采深加深、生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大及綜合機(jī)械化程度提高，采掘工作面的瓦斯涌出量急劇增大。而依靠加大風(fēng)量來降低瓦斯?jié)舛鹊姆椒ǎ蚴艿较锏罃嗝婷娣e和風(fēng)速的限制，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足安全生產(chǎn)的要求[1-3]。

申家莊煤礦23采區(qū)瓦斯含量、瓦斯壓力大，煤與瓦斯突出預(yù)測指標(biāo)鉆孔瓦斯涌出初速度[q]、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)[Δh2]都已接近臨界值，瓦斯突出危險(xiǎn)性逐漸增加，是非突出區(qū)域升級(jí)為突出區(qū)域的過渡采區(qū)。針對這一問題，必須結(jié)合礦井煤層賦存的條件進(jìn)行綜合治理。

1 工作面概況

2303工作面位于申家莊煤礦23采區(qū)，開采煤層為2#單一煤層。走向長平均為1 150m，傾斜長平均為165m，最大煤層厚度為5.1m，最小煤層厚度為4.6m，平均厚度為4.85m，煤層瓦斯含量為9.98～10.59m3/t，殘存瓦斯含量為2.55m3/t。煤層底板和頂板巖層主要為砂巖，煤層開采方法為后退式走向長壁綜采法，頂板管理采用全部垮落法，通風(fēng)方式為U型通風(fēng)。

2 瓦斯涌出來源分析

確定回采工作面的瓦斯來源及所占比重，并對其涌出規(guī)律進(jìn)行分析，對瓦斯治理及抽采工作、有效指導(dǎo)工作面合理配置風(fēng)量具有十分重要的意義[4]。根據(jù)2#煤層的賦存條件，以及與相鄰7#煤層距離為110m，因此不考慮鄰近層瓦斯涌出。綜合分析，2303工作面瓦斯主要來自煤壁瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出和采空區(qū)瓦斯涌出[5]。

2.1 回采面總瓦斯涌出總量

采用分源預(yù)測法對回采工作面瓦斯涌出總量進(jìn)行計(jì)算[6]。結(jié)合礦井提供的資料，經(jīng)計(jì)算，2303回采工作面瓦斯涌出量為20.58m3/min。

2.2 采空區(qū)瓦斯涌出量

采空區(qū)瓦斯涌出量采用老頂垮落前后回風(fēng)巷風(fēng)排的瓦斯含量變化值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下[7]：

[Q3=Q4+（Q2-Q1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

[R=Q3/（Q4+Q2）×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：[Q3]為采空區(qū)瓦斯涌出量，m3/min;[Q4]為對采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采的量，m3/min;[Q2]為老頂發(fā)生垮落以后回風(fēng)巷風(fēng)流所排放的瓦斯量，m3/min;[Q1]為老頂未發(fā)生垮落時(shí)回風(fēng)巷風(fēng)流所排放的瓦斯量，m3/min;[R]為采空區(qū)內(nèi)涌出瓦斯的量與瓦斯涌出總量的比值，%。

經(jīng)計(jì)算，得出申家莊煤礦的采空區(qū)瓦斯涌出量為11.52m3/min，占采面總瓦斯出總量的55.97%，工作面煤壁和落煤合計(jì)占44.03%。因此，對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放治理，對保證2302工作面安全生產(chǎn)具有重要意義。

3 抽采區(qū)域

3.1 “三帶”的確定

高位裂隙鉆孔法是目前治理采空區(qū)瓦斯涌出量大較為有效的方法，將鉆孔終孔布置在瓦斯富集區(qū)可大幅提高瓦斯抽放效果。如果終孔布置的層位過高，該區(qū)域裂隙不發(fā)育，則不能有效形成與采空區(qū)的瓦斯運(yùn)移通道，抽放效果較差;如果終孔布置的層位過低，由于冒落帶直接與抽放鉆孔相連通，同樣難以達(dá)到理想的抽放效果。因此，研究采空區(qū)上覆巖層的破壞規(guī)律和“豎三帶”分布區(qū)域，對合理布置抽放鉆孔具有重要意義[8-11]。根據(jù)“三帶”計(jì)算公式，結(jié)合2303工作面頂板條件，可得上覆巖層垮落帶的高度為9.4～13.8m，裂隙帶的高度為48.29～73.4m，平均為60.84m。

3.2 U型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律

在確定工作面瓦斯來源及采空區(qū)覆巖“豎三帶”高度范圍的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Fluent軟件模擬2303回采工作面U型通風(fēng)下采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布規(guī)律，為布置合理的抽放鉆孔提供理論依據(jù)。根據(jù)申2303回采工作面采空區(qū)的實(shí)際情況，采空區(qū)長200m、寬165m、高30m，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷長30m、寬3.8m，工作面寬度5m。

距離回采工作面底板30m和60m高度的采空區(qū)平面瓦斯?jié)舛确植几┮晥D如圖1所示。

表征在[X]軸方向上截取[X]=10m、[X]=70m、[X]=130m、[X]=190m，表征在[Y]軸方向上截取[Y]=2.5m、[Y]=82.5m、[Y]=162.5m，不同豎直截面的采空區(qū)豎直方向瓦濃度分布如圖2、3所示。

由模擬結(jié)果可知：在距離上隅角平面距30m，距采面垂高45～60m，瓦斯?jié)舛容^高，在此區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采將會(huì)取得較好效果。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 鉆場布置

根據(jù)模擬結(jié)果確定的瓦斯富集區(qū)域，決定在回風(fēng)順槽內(nèi)向上掘進(jìn)高位抽放鉆場，以便在鉆場內(nèi)施工高位鉆孔。在工作面回風(fēng)巷中，每隔70m向工作面內(nèi)施工一個(gè)鉆場，鉆場布置在距煤層頂板3m（垂直距離）的巖層中，在鉆場中向工作面推進(jìn)方向布置10個(gè)鉆孔，鉆孔終孔位置處于煤層頂板巖層中，鉆孔終孔位置處于工作面上方45～60m，布置方式如圖4所示。

4.2 抽采效果分析

高位鉆孔抽采技術(shù)及采空區(qū)埋管抽放技術(shù)抽采效果與本煤層抽放效果對比如表1所示。

由表1可知，采空區(qū)高位鉆孔抽采技術(shù)和埋管抽采技術(shù)瓦斯抽采量占到工作面瓦斯抽采總量的58%，達(dá)到了較為理想的抽采效果。在該工作面實(shí)際生產(chǎn)中，在礦井回采工作面配風(fēng)量1 500m3/min的條件下，未發(fā)生瓦斯?jié)舛瘸蕖Ｒ虼?，所采用瓦斯抽采技術(shù)對工作面、回風(fēng)流及上隅角瓦斯超限問題進(jìn)行了有效治理，為2303工作面的安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

①結(jié)合申家莊2303工作面實(shí)際條件，確定了回采工作面瓦斯涌出來源。根據(jù)計(jì)算，采空區(qū)瓦斯涌出量占瓦斯涌出總量的55.97%，落煤和工作面煤壁涌出量占涌出總量的44.03%，因此確定了瓦斯治理的主要目標(biāo)為采空區(qū)。

②根據(jù)公式計(jì)算，得出“三帶”的范圍，裂隙帶的高度為48.29～73.4m，平均為60.84m，并結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定瓦斯富集區(qū)域?yàn)榫嚯x上隅角平面距30m、距采面垂高45～60m的區(qū)域。

③采用高位鉆孔抽采技術(shù)及采空區(qū)埋管抽采技術(shù)對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行治理，抽放量占工作面瓦斯綜抽放量的58%，工作面綜合瓦斯抽放率達(dá)到40%以上，對工作面、回風(fēng)流和上隅角的瓦斯超限問題進(jìn)行了有效治理，為2303工作面的安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

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