3212綜采放頂煤工作面瓦斯治理研究

王光偉

（1.山西省煤炭工業(yè)廳安全生產(chǎn)調(diào)度中心，山西 太原 030012；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

3212綜采放頂煤工作面瓦斯治理研究

王光偉1，2

（1.山西省煤炭工業(yè)廳安全生產(chǎn)調(diào)度中心，山西 太原 030012；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024）

山西天地王坡煤業(yè)有限公司針對(duì)5.97m厚的3212綜采放頂煤工作面瓦斯涌出特點(diǎn)，在分析瓦斯涌出來源構(gòu)成的基礎(chǔ)上，對(duì)3212工作面實(shí)施合理配風(fēng)、頂板走向鉆孔抽放瓦斯、針對(duì)性預(yù)抽等綜合治理措施，確保3212工作面安全生產(chǎn)。

綜放工作面；瓦斯綜合治理；預(yù)抽；瓦斯流動(dòng)模式；數(shù)值模擬

王坡礦原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力450kt/a，采用斜井開拓，開采3號(hào)煤層。目前正在改擴(kuò)建，擴(kuò)建后的生產(chǎn)能力為300萬t/a。抽采系統(tǒng)的混合流量為45.68m3/min～79.19m3/min，濃度為18%左右，純流量為9m3/min左右。礦井為高瓦斯礦井，絕對(duì)瓦斯涌出量為63.53m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為20.6m3/min。

3212綜采放頂煤工作面采用工作面預(yù)抽、頂板走向長(zhǎng)鉆孔、瓦斯尾巷插管抽放并采用數(shù)值模擬軟件預(yù)測(cè)抽采效果等方法對(duì)3212工作面進(jìn)行瓦斯綜合治理以后，取得了良好的效果，現(xiàn)已推廣應(yīng)用【2】。下面介紹3212綜采放頂煤工作面瓦斯綜合治理。

1 3212工作面概況

3212工作面位于二采區(qū)三條集中巷南側(cè)，埋深為450m～810m。該面走向長(zhǎng)度為2300m，開切眼長(zhǎng)180m。平均煤厚5.97m。3212工作面設(shè)計(jì)產(chǎn)量為150萬t/a（礦井由1個(gè)采面生產(chǎn)、加上掘進(jìn)煤達(dá)到其設(shè)計(jì)產(chǎn)量）。3212工作面采用兩進(jìn)一回偏Y型通風(fēng)方式，即運(yùn)輸順槽、輔助進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)順槽回風(fēng)，預(yù)計(jì)3212工作面的配風(fēng)量為3000m3/min。3212工作面的預(yù)測(cè)最大瓦斯涌出量為84.8m3/min。3212工作面的瓦斯含量為12m3/t～18m3/t，其中距離切眼1150m～2300m的范圍之內(nèi)煤層瓦斯含量為16m3/t～18m3/t，距離切眼770m～1150m的范圍之內(nèi)煤層瓦斯含量為14m3/t～16m3/t，距離切眼0m～770m處煤層瓦斯含量為12m3/t～14m3/t。煤層殘存瓦斯含量為4.62m3/t。實(shí)測(cè)煤層透氣性系數(shù)為1.895m2/MPa2·d～2.249m2/MPa2·d，鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1345d-1。

2 3212工作面瓦斯涌出預(yù)測(cè)

按安全生產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》（AQ1018-2006）規(guī)定，在預(yù)測(cè)瓦斯涌出中應(yīng)用的煤層殘存瓦斯含量按其推薦的附表確定，將3212工作面煤層的殘存含量確定為4.62m3/t。

根據(jù)預(yù)測(cè)，3212工作面不同含量所對(duì)應(yīng)的瓦斯涌出預(yù)測(cè)結(jié)果見表1。從表1可知，當(dāng)采面瓦斯含量為18m3/t、日產(chǎn)量5000t時(shí)，工作面瓦斯涌出量為84.8m3/min，其中開采層涌出量為48.6m3/min，占57.3%，鄰近層及采空區(qū)瓦斯涌出量為36.2m3/min，占42.7%，瓦斯含量為16m3/t、14m3/t區(qū)域的瓦斯涌出量，如表1所示。

表1 3212工作面不同瓦斯含量區(qū)域瓦斯涌出量預(yù)測(cè)

對(duì)于通過預(yù)抽煤層瓦斯降低工作面瓦斯涌出，不同含量區(qū)域抽后涌出量不大于30m3/min（以工作面通風(fēng)最大許可瓦斯涌出量30m3/min計(jì)）的預(yù)抽后殘余瓦斯含量（瓦斯預(yù)抽的目的殘余含量）如表1所示。由表1可確定18m3/t、16m3/t、14m3/t含量區(qū)域的預(yù)抽瓦斯目的殘余含量分別為6.83m3/t、7.42m3/t、8m3/t。

3 3212工作面瓦斯綜合治理措施

1）存在問題：工作面日產(chǎn)5000t時(shí)，如果單純依靠預(yù)抽，18m3/t、16m3/t、14m3/t含量區(qū)域瓦斯預(yù)抽的目的殘余含量分別為6.83m3/t、7.42m3/t、8m3/t，只有將瓦斯含量降至低于相應(yīng)的目的殘余瓦斯含量才能保證工作面回采時(shí)的最大瓦斯涌出量低于30m3/min。

從工作面的瓦斯涌出構(gòu)成分析，鄰近層及采空區(qū)瓦斯涌出占42.7%。由于工作面預(yù)抽時(shí)間有限，單純以加密鉆孔間距的措施來提高預(yù)抽率不能保證足夠的施工時(shí)間，因此，還應(yīng)積極采用采空區(qū)抽采方法，降低其風(fēng)排瓦斯涌出，相應(yīng)地減輕采面預(yù)抽壓力，從而增大鉆孔間距、減少鉆孔工程量，在一定程度上縮短預(yù)抽時(shí)間［1］。

2）解決措施：3212工作面采用預(yù)抽及采空區(qū)抽采的綜合抽采方法進(jìn)行工作面瓦斯涌出的治理。在考慮預(yù)抽與采空區(qū)綜合抽采共同作用下，對(duì)于18m3/t、16m3/t、14m3/t含量區(qū)域其預(yù)抽的目的殘余含量可分別提高為9.4m3/t、9.74m3/t、10.07m3/t（與各區(qū)只預(yù)抽的目的殘余含量6.83m3/t、7.42m3/t、8m3/t比較）。

3.1 3212工作面瓦斯預(yù)抽措施

3212工作面煤層瓦斯含量賦存不均衡，總體可分為2個(gè)區(qū)域，煤層瓦斯含量12m3/t～14m3/t的區(qū)域位于距離切眼0～770m的范圍內(nèi)、埋深為450m～630m，礦方已經(jīng)在該區(qū)域施工了絕大部分的密集立體交叉預(yù)抽鉆孔，其鉆孔布置見圖1。煤層瓦斯含量為14m3/t～18m3/t的區(qū)域位于距離切眼770m～2300m的范圍內(nèi)、埋深為570m～810m。因此，將3212工作面劃分為兩個(gè)區(qū)域，根據(jù)煤層瓦斯含量及相應(yīng)的預(yù)抽時(shí)間分別設(shè)計(jì)不同間距鉆孔進(jìn)行預(yù)抽。

預(yù)抽瓦斯效果預(yù)測(cè)方法采用數(shù)值模擬的方法，該方法是通過煤層中瓦斯的流動(dòng)規(guī)律建立數(shù)學(xué)模型［3］，同時(shí)考慮抽采過程中煤層透氣性系數(shù)的變化，在抽采區(qū)域內(nèi)對(duì)瓦斯流動(dòng)模型進(jìn)行解算來確定一定抽采時(shí)間后煤層中的殘余瓦斯含量。

根據(jù)預(yù)測(cè)，在現(xiàn)有3212工作面鉆孔施工條件、工作面銜接、投產(chǎn)時(shí)間等條件下可能實(shí)現(xiàn)的預(yù)抽鉆孔間距為6m。對(duì)于3212工作面瓦斯含量高（最高為18m3/t）、工作面預(yù)抽時(shí)間短(工作面掘進(jìn)完成即回采)的情況，根據(jù)鄰近礦井的瓦斯抽采經(jīng)驗(yàn)，其鉆孔間距宜為2.5m左右，即對(duì)于工作面來講6m的預(yù)抽鉆孔間距偏大了，不利于工作面瓦斯預(yù)抽。鉆孔間距加密到一定程度后如果繼續(xù)加密將會(huì)增加鉆孔施工工程量，從而減少預(yù)抽時(shí)間，在尋找鉆孔間距和鉆孔施工工程量之間的平衡關(guān)系中得到最高含量區(qū)域鉆孔間距為2.5m。

圖1 3212工作面瓦斯含量分布圖

因此，為3212工作面提供多一點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行瓦斯抽采，根據(jù)3212工作面的實(shí)際情況、加強(qiáng)鉆孔施工組織與管理，在目前工作面計(jì)劃的投產(chǎn)日期前多打鉆孔、以爭(zhēng)取更多的預(yù)抽時(shí)間，確保瓦斯抽采效果。

3.2 3212工作面采空區(qū)抽采措施

3212工作面開采層涌出量為48.6m3/min，占57.3%，鄰近層及采空區(qū)瓦斯涌出量為36.2m3/min，占42.7%。所以工作面在加強(qiáng)預(yù)抽瓦斯的同時(shí)，還同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)工作面采空區(qū)瓦斯抽采【4】，減輕工作面的預(yù)抽壓力。有限的時(shí)間內(nèi)預(yù)抽效果達(dá)到最好的情況下也不能使工作面瓦斯涌出量降到30m3/min以下，這就需要用采空區(qū)抽采來解決超過30m3/min的瓦斯涌出量，表2為采空區(qū)抽采和預(yù)抽共同作用后的涌出預(yù)測(cè)。

礦井現(xiàn)開采工作面的采空區(qū)井下瓦斯抽采方法一般有鄰近層（含鉆孔及巷道）抽采、井下順層埋管抽采等方法。王坡礦曾經(jīng)采用埋管抽采的方式對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行了試驗(yàn)，但抽采效果很差，采用頂板走向鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采效果較好，但頂板走向長(zhǎng)鉆孔布置需要一定鉆場(chǎng)、工程量較大，不利于實(shí)施。

礦井現(xiàn)已經(jīng)在3207工作面實(shí)施的頂板走向長(zhǎng)短鉆孔進(jìn)行了效果考察，并取得較好效果。

為此，根據(jù)3212工作面的布置方式，工作面采空區(qū)抽采方法擬采用頂板走向長(zhǎng)短鉆孔進(jìn)行抽采，利用抽采鉆孔使工作面采空區(qū)瓦斯向其后上方流動(dòng)、改變工作面采空區(qū)流場(chǎng)，有利于工作面上隅角瓦斯治理。

根據(jù)表2中的預(yù)測(cè)，在預(yù)抽和采空區(qū)抽采的共同作用下，18m3/t區(qū)域預(yù)抽后達(dá)到目的殘余含量9.4m3/t；16m3/t區(qū)域預(yù)抽后達(dá)到目的殘余含量9.74m3/t；14m3/t區(qū)域預(yù)抽后達(dá)到目的殘余含量10.07m3/t。這比單靠預(yù)抽需要的目的殘余含量6.83m3/t、7.42m3/t、8m3/t、2.57m3/t、2.32m3/t、2.07m3/t，給預(yù)抽減少了很大的壓力。

表2 采空區(qū)抽采共同作用后涌出量預(yù)測(cè)

4 效果分析

4.1 預(yù)抽鉆孔效果分析

在工作面預(yù)抽效果考察中，3212工作面最大抽采量為12.1m3/min，最小抽采量為4.5m3/min。經(jīng)過預(yù)抽后的工作面平均風(fēng)排瓦斯量為21.62m3/min，確保了礦井安全生產(chǎn)。

4.2 采空區(qū)抽采效果分析

在工作面采空區(qū)抽采效果考察中，3212工作面平均抽采量為 6.7m3/min，最大抽采量為 10.1m3/min，最小抽采量為3.8m3/min。3212工作面上隅角瓦斯超限次數(shù)基本杜絕。

5 結(jié)論

工作面采用預(yù)抽與采空區(qū)結(jié)合的綜合治理方法，使工作面煤體噸煤瓦斯含量降低，減少開采時(shí)的落煤瓦斯涌出和煤壁瓦斯涌出，同時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了頂板走向長(zhǎng)短鉆孔的抽采，利用采空區(qū)抽采來減少風(fēng)排瓦斯量從而減輕預(yù)抽壓力，使3212工作面瓦斯治理效果明顯，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)起到了保障作用。

［1］ 張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，2001.

［2］ 周世寧.煤礦重大災(zāi)害防治戰(zhàn)略研究與進(jìn)展［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［3］ 葛家理.現(xiàn)代油藏滲流力學(xué)原理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2001.

［4］ 馬世志，范滿長(zhǎng)，殷秋朝.頂板高位水平鉆孔瓦斯抽放技術(shù)應(yīng)用研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2002（9）：40-42.

Gas Control Study on Fully-mechanized Top-coal Caving Faces in Tiandi Wangpo Coal Co.

WANG Guang-wei1,2

(1.Safety Production Dispatch Center,Shanxi Coal Industry Office,Taiyuan Shanxi 0300122.College oFMining Engineering,Taiyuan University oFTechnology,Taiyuan Shanxi 030024)

According to gas outbursToF3212fully-mechanical top-coal caving face(5.97m in thickness)in Tiandi Wangpo Coal Co.,the source construction oFthe gas outbursTwas analyzed and then comprehensive control measures were adopted,including reasonable air distribution,gas drainage oFgoaFfrom drills along rooFstrike and pointed pre-drainage,to ensure the safety production.

fully-mechanized working face;gas control;predraining;gas flow pattern;numerical simulation

TD712+.6

A

2011-05-05

王光偉（1971—），男，山西永濟(jì)人，在讀工程碩士研究生，工程師，從事安全生產(chǎn)調(diào)度及煤礦安全監(jiān)管工作。

1672-5050（2011）07-0060-03

劉新光