錦源煤礦瓦斯防治技術研究

李常厚，王瑞超

（山西臨縣錦源煤礦有限公司，山西 呂梁 033100）

0 引言

隨著綜采相關技術裝備的不斷進步，煤礦開采的深度、推進長度、推進速度不斷增加。在開采的過程中工作面局部出現(xiàn)瓦斯超限，嚴重影響著煤礦的安全生產(chǎn)。部分煤礦企業(yè)為了解決上述問題，直接將解吸后的瓦斯排入大氣，不僅污染了生態(tài)環(huán)境，還造成了大量的資源損失。針對這一問題，高抽巷技術應運而生，可以有效的實現(xiàn)工作面瓦斯抽采。國內(nèi)外相關學者針對高抽巷技術進行了一系列的研究，朱紅青[1]等基于覆巖“O”形圈破壞形式，研究了高抽巷與頂板間距及內(nèi)錯距對于瓦斯流場的抽采效果；范尚崇[2]等采用UDEC數(shù)值模擬軟件，分析了三帶發(fā)育的規(guī)律，從而確定高抽巷的布置范圍；王紅梅[3]等通過評估瓦斯含量、漏風量、氧氣含量等參數(shù)，認為抽放速率需要控制在合理區(qū)間；徐超[4]等建立了采空區(qū)非線性滲透模型，運用至數(shù)值模擬軟件中，優(yōu)化了高抽巷的抽采負壓設計；倪廉欽[5]等在采空區(qū)瓦斯運移理論的基礎上，提出交錯式雙埋管瓦斯抽采技術，并在萬峰煤礦取得了良好的應用效果；李青松[6]等針對瓦斯抽采孔間距模糊、盲從等問題，研究分析了相同布孔間距和不同布孔間距條件下受抽采疊加效應影響煤層瓦斯壓力變化。上述研究對于高抽巷的工藝參數(shù)進行了大量研究，但是針對復雜條件下的瓦斯抽放問題，需要結合礦井工作面實際情況，具體問題具體分析。

筆者所在的錦源煤礦，經(jīng)過鑒定屬于高瓦斯礦井，為了治理瓦斯超限的問題，需要設計一條高抽巷，進行瓦斯抽采。本文以一采區(qū)101工作面為工程背景，采用fluent數(shù)值模擬軟件分析高抽巷的最佳層位，設計了低負壓抽采系統(tǒng)，并通過現(xiàn)場實測進行驗證，本文的研究結果可為錦源煤礦后續(xù)開采提供理論指導。

1 礦井概況

錦源煤礦將4號及5號煤層合并開采，（4+5）煤層東部較厚，其厚度約3.88～7.40 m，平均5.76 m，為全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。同時（4+5）煤層含1～2層夾矸，夾石單層厚度0.35～1.31 m之間。（4+5）煤層埋深340 m，采高5.5 m，其直接頂與基本頂分別為砂質(zhì)泥巖與中砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖與泥巖。根據(jù)晉煤瓦發(fā)[2014]1145號的批復顯示，錦源煤礦先期開采地段內(nèi)，開采5（4+5）號煤層期間礦井為高瓦斯礦井。在一采區(qū)進行掘進作業(yè)時瓦斯涌出量見表1。

表1 采區(qū)瓦斯涌出量

2 覆巖“三帶”分布特征計算

工作面開采過程中，覆巖會隨煤層的推采不斷垮落、破斷，最終自地表從上往下會形成彎曲下沉帶、裂隙帶以及冒落帶[7]。同時，已有學者[8]在傳統(tǒng)“三帶”理論基礎上研究并得出了采動裂隙中瓦斯運移和卸壓的新“三帶”理論，即不易解吸帶、卸壓解吸帶和導氣裂隙帶，如圖1所示。上述有關瓦斯運移的“三帶”能夠明確地劃分覆巖瓦斯卸壓、解析范圍，進一步地為錦源煤礦瓦斯高位抽采巷層位選擇提供理論依據(jù)。

圖1 三帶示意圖

瓦斯高位抽采巷進行層位選擇時，最好布置在導氣裂隙帶中，考慮到礦井安全生產(chǎn)需要，也應盡可能地布置在垮落帶上方。采用KSPB軟件對導氣裂隙帶發(fā)育高度進行理論計算，首先對錦源煤礦101工作面地層綜合柱狀進行整合，將各地層巖性導入軟件進行判別分析，計算得出（4+5）號煤層與關鍵層的距離。根據(jù)關鍵層理論，當關鍵層與（4+5）號煤層頂板間距大于7～10倍采高時，關鍵層及以下巖層將發(fā)生垮落破斷，并形成瓦斯導氣通道，此時可認為導氣裂隙帶高度等于7～10倍采高。反之，當關鍵層與（4+5）號煤層頂板間距小于7～10倍采高時，導氣裂隙帶向上發(fā)育，其高度大于7～10倍采高。根據(jù)KSPB軟件，結合地層巖性，確定主關鍵層層位為細砂巖，埋深250 m。同時根據(jù)（4+5）號煤層埋深，可以得出關鍵層與煤層間距為90 m，7～10倍采高約為38.5～55 m，小于關鍵層與煤層間距，由此得出導氣裂隙帶最大高度為55 m，此外，不易解吸帶與卸壓解吸帶高度分別為255 m與30 m。

3 高抽巷層位理論計算

高抽巷的設計目標是為降低工作面開采過程中的瓦斯?jié)舛?，從而確保礦井的安全高效生產(chǎn)，因此其層位選擇至關重要。在覆巖導氣裂隙帶中，由于裂隙發(fā)育程度的不同，高抽巷不同的空間層位會極大的影響工作面瓦斯抽采的效果。進行101工作面高抽巷設計時，首先需要通過理論計算，確定（4+5）號煤層垮落帶高度及頂板與抽采巷距離，確保高抽巷的層位在合理范圍內(nèi)。101工作面中，高抽巷與工作面的空間位置如圖2所示。

圖2 101高抽巷空間位置示意圖

3.1 垮落帶高度

若將高抽巷直接布置在垮落帶中，將導致以下2個突出問題：一是工作面漏風嚴重，從而導致工作面、回采巷道及上隅角瓦斯嚴重超限，影響工作面的安全生產(chǎn)；二是垮落帶內(nèi)采動裂隙發(fā)育程度較高，后期圍巖控制工作難度較大，且隨工作面的推采，高抽巷抽采瓦斯的濃度亦會逐漸降低，因此首先需要確定具體的垮落帶的范圍?？迓鋷Ц叨雀鶕?jù)經(jīng)驗可知，其數(shù)值大小為3～5倍的工作面采高，可以通知理論計算公式（1）得到：

式中：Kz是覆巖碎脹系數(shù)；M為工作面采高，m；β為煤層傾向角度，°。

根據(jù)錦源煤礦101工作面的地質(zhì)條件可知，煤層采高為5.50 m，覆巖的碎脹系數(shù)經(jīng)試驗室測定為1.3，煤層為緩傾斜煤層，傾角5°。將參數(shù)代入公式（1）中，可以得到垮落帶高度為18.5 m。

3.2 頂板與高抽巷的距離

根據(jù)理論推導，工作面頂板與高抽巷的垂直距離為，具體包括兩部分組成，一部分為垮落帶在傾向夾角平面內(nèi)的垂直距離，一部分是為了防止高抽巷破壞的富余高度，見公式（2）所示。

上莊鄉(xiāng)正在向全省乃至省外大力推廣本鄉(xiāng)的舍飼養(yǎng)羊技術，希望各地都能通過該模式解決羊規(guī)?；B(yǎng)殖帶來的生態(tài)平衡問題，同時加速羊只的生長速度，提高養(yǎng)殖戶的整體經(jīng)濟效益，為新野縣乃至河南省的畜牧產(chǎn)業(yè)長期可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

式中：h為垮落帶高度，m；Δh為防止高抽巷破壞的富余高度，m。

高抽巷一般布置在導氣裂隙帶的中上部，Δh取值35 m，h經(jīng)過計算得18.5 m，因此H為53.5 m。

3.3 回風巷與高抽巷的水平距離

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，回風巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛韧ǔ］^高，為了增加抽采的效果，高抽巷應靠近回風巷?；仫L巷與高抽巷之間的水平距離包括兩部分，一部分是高抽巷與頂板的垂直距離H在夾角平面內(nèi)的水平投影，一部分是高抽巷距離覆巖斷裂軌跡的水平距離，具體見公式（3）所示。

式中：α為覆巖斷裂的角度，°；ΔS是高抽巷距離覆巖斷裂軌跡的水平距離，取值范圍為9～15 m。

將上述參數(shù)代入到公式（3）中，可以得到回風巷與高抽巷之間的水平距離為48 m，符合煤礦安全規(guī)程中，高抽巷與回風巷的水平距離在工作面傾向長度的三分之一以內(nèi)的相關規(guī)定。

4 高位瓦斯抽采巷層位數(shù)值模擬分析

4.1 數(shù)值模型建立

通過理論計算已經(jīng)初步確定了瓦斯高位抽采巷的大致層位，本小節(jié)采用fluent數(shù)值模擬軟件模擬高抽巷不同層位時，瓦斯?jié)舛鹊目臻g分布規(guī)律，以此對其進行驗證優(yōu)化。模型的長、寬、高分別為400 m（走向長度）、180 m（工作面長）、55 m（導氣裂隙帶分布高度）。其中101運輸巷為20 m×4.2 m×4.5 m，101回風巷為20 m×4.2 m×4.5 m，101高抽巷為40 m×4.5 m×3.0 m，數(shù)值模型如圖3所示。

采用控制變量法，根據(jù)上述理論計算結果，分析當頂板與高抽巷垂直距離一致時（距離為55 m），不同回風巷與高抽巷的水平距離（43、48、55 m）下瓦斯?jié)舛鹊目臻g分布規(guī)律，分析當回風巷與高抽巷的水平距離一致時（距離為48 m），不同頂板與高抽巷垂直距離（48、55、58 m）下瓦斯?jié)舛鹊目臻g分布規(guī)律。模擬方案見表2。

圖3 數(shù)值模擬初始模型

表2 模擬方案

4.2 數(shù)值結果分析

圖4依次是不同方案下瓦斯?jié)舛入S層位變化的空間分布云圖。分別提取方案一至方案三模擬結果中上隅角瓦斯數(shù)據(jù)、回風巷瓦斯數(shù)據(jù)以及高抽巷內(nèi)的瓦斯數(shù)據(jù)，提取的數(shù)據(jù)如圖5所示。在方案一的參數(shù)條件下，上隅角、回風巷及高位抽采巷瓦斯?jié)舛确謩e約為0.7%～0.8%、0.5%～0.9%以及23%～27%，分析其原因是高抽巷所在區(qū)域的裂隙發(fā)育程度過高，導致了整個抽采系統(tǒng)處于漏風的狀態(tài)，從而回風巷上隅角、回風巷等區(qū)域的瓦斯?jié)舛容^高。

圖4 瓦斯?jié)舛仁軐游挥绊懙目臻g分布圖

圖5 瓦斯?jié)舛仁軐游挥绊懙那€圖

在方案三的參數(shù)條件下，如圖5所示，回風巷瓦斯?jié)舛扰c方案一相比略微上升，上隅角瓦斯?jié)舛认鄬Σ蛔?，同時抽采巷內(nèi)瓦斯?jié)舛扔酗@著降低，其原因在于高抽巷布置在導氣裂隙帶上方，此位置采動裂隙發(fā)育程度較低，無法形成瓦斯運移的通道，難以為瓦斯抽采提供良好條件，同樣造成了上隅角、回風巷等區(qū)域的瓦斯?jié)舛容^高。對比3個方案，確定采用方案二即高抽巷與煤層頂板的垂直距離為53 m的方案，其瓦斯監(jiān)測得到的濃度整體偏小，說明方案適宜。

4.2.2 高抽巷與回風巷的水平距離確定

圖6依次是不同方案下，瓦斯?jié)舛仁芩骄嚯x影響的空間分布云圖。分別提取方案四～方案六模擬結果中上隅角瓦斯數(shù)據(jù)、回風巷瓦斯數(shù)據(jù)以及高抽巷內(nèi)的瓦斯數(shù)據(jù)，提取的數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 瓦斯?jié)舛仁芩骄嚯x影響的空間分布圖

圖7 瓦斯?jié)舛仁芩骄嚯x影響的曲線圖

如圖7所示，高抽巷距（4+5）煤層頂板距離不變的情況下，上隅角及回風巷內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓尸F(xiàn)先降低后上升的趨勢，高抽巷內(nèi)瓦斯?jié)舛入S水平距離的增加而緩慢增長。各位置瓦斯?jié)舛仍诜桨杆囊约胺桨噶膮?shù)條件下，回風巷上隅角、回風巷等區(qū)域的瓦斯?jié)舛容^高，分別為0.76%、0.55%、0.8%、0.6%。在方案五的參數(shù)條件下，即高抽巷與回風巷的水平距離為48 m的方案，其瓦斯監(jiān)測得到的濃度整體偏小，說明方案適宜。綜上對比瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律，最終高抽巷布置在距離煤層頂板53 m，距回風巷的水平距離48 m的層位中。

5 抽采系統(tǒng)及工程觀測結果

5.1 抽采系統(tǒng)

錦源煤礦地面瓦斯抽采泵站選擇在南訖垛村的南部，采用2套低負壓系統(tǒng)，2趟主管利用2個管道井聯(lián)通地面與井下。選擇的抽采管路系統(tǒng)為：

1）低負壓抽采系統(tǒng)I。高抽巷→采區(qū)A回風上山→+101水平回風大巷→地面鉆孔→地面管路→地面抽采泵站。

2）低負壓抽采系統(tǒng)II。高抽巷→采區(qū)B回風上山→+101水平回風大巷→地面鉆孔→地面管路→地面抽采泵站

采用2BEC-120型水環(huán)真空泵2臺，一用一備。主管選用無縫鋼管，支管選用螺旋焊縫鋼管，管徑為1 020 mm×10 mm。低負壓抽采一采區(qū)的上鄰近層、現(xiàn)采空區(qū)、老采空區(qū)瓦斯。

5.2 觀測結果

為了更加直觀的觀測出高抽巷低負壓系統(tǒng)的現(xiàn)場抽采效果，分別在高抽巷、上隅角以及回風巷內(nèi)布置瓦斯監(jiān)測傳感器，其濃度隨推進距離變化如圖8所示。開采初期，工作面各位置瓦斯?jié)舛确€(wěn)定波動，煤層推采至38 m時，基本頂發(fā)生初次破斷，采動裂隙大幅發(fā)育，為瓦斯析出提供了良好的運移通道，對應地上隅角、回風巷及抽采巷瓦斯?jié)舛蕊@著增長，但均未發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象，能夠滿足工作面的安全生產(chǎn)。此后工作面繼續(xù)向前推進，采空區(qū)后方裂隙逐漸閉合，瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定。

當推采至70 m時，基本頂發(fā)生周期破斷，裂隙再次發(fā)育，瓦斯?jié)舛纫搽S之升高，此后逐漸趨于穩(wěn)定。綜上所述，工作面上隅角瓦斯?jié)舛仍?.40%～0.72%之間，回風巷瓦斯?jié)舛仍?.35%～0.76%，符合煤炭安全規(guī)程的規(guī)定，高抽巷內(nèi)瓦斯?jié)舛确秶?6%～35%之間，其抽采峰值濃度為67m3/min，且隨煤層推進仍有增長趨勢，說明所設計的瓦斯高抽巷實現(xiàn)了瓦斯的高效抽采，能夠保證礦井的安全高效生產(chǎn)。

圖8 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結果

6 結論

1）采用KSPB軟件計算了覆巖瓦斯不易解吸帶、卸壓解吸帶和導氣裂隙帶的分布特征，其中不易解吸帶高度為255 m，卸壓解吸帶高度為30 m，導氣裂隙帶高度為55 m。

2）通過理論計算并得出了錦源煤礦（4+5）煤層的垮落帶高度18.5 m，高抽巷與回風巷的水平距離為48 m，高抽巷與煤層頂板的垂直距離為53.5 m，通過數(shù)值模擬軟件Fluent對理論計算結果進行驗證，確定了最佳高抽巷層位。

3）設計了高抽巷低負壓抽采系統(tǒng)，現(xiàn)場瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測結果表明高抽巷實現(xiàn)了瓦斯的高效抽采，避免了工作面瓦斯?jié)舛瘸蕖?/p>