高低位抽采巷合理布置及瓦斯治理技術(shù)試驗(yàn)

杜達(dá)文

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))股份有限公司一礦，山西 陽泉 045008)

0 引言

瓦斯災(zāi)害是煤礦安全生產(chǎn)中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一，并且隨著煤礦開采深度的不斷增加，煤層瓦斯含量不斷增大，瓦斯治理難度也顯著增大[1]。因此，采取積極的瓦斯災(zāi)害治理措施，是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)。目前，應(yīng)用比較廣泛的瓦斯治理技術(shù)包括預(yù)抽煤層瓦斯、開采保護(hù)層、鉆孔抽放、上隅角埋管抽放、高低位抽采巷等[2]。但在實(shí)際工程施工中，專用抽采巷層位的布置帶有一定主觀性和經(jīng)驗(yàn)性，層位布置是否恰當(dāng)，將直接影響其瓦斯抽采的效果。近年來，我國學(xué)者對(duì)專用抽采巷層位的布置也進(jìn)行了大量的研究。張聰華[3]在初步確定布置參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用Fluent軟件對(duì)不同布置層位條件下高抽巷的瓦斯抽采效果進(jìn)行研究，最終確定1228工作面高抽巷最佳位置，并取得了良好的抽采效果；郝家興[4]采用理論分析、數(shù)值模擬等方法，研究得出高抽巷應(yīng)布置在覆巖裂隙發(fā)育區(qū)，遠(yuǎn)離回風(fēng)巷道采動(dòng)應(yīng)力影響的位置的成果；白建強(qiáng)等[5]通過構(gòu)建瓦斯運(yùn)移模型并借助FLUENT軟件，最終確定了高抽巷布置距回風(fēng)巷及采空區(qū)頂板的最佳水平和垂直距離；崔林柱[6]基于垮落帶及裂隙帶計(jì)算公式，同時(shí)借助UDEC數(shù)值模擬軟件的研究結(jié)果表明：隨著內(nèi)錯(cuò)距的增大，高抽巷塑性區(qū)范圍減小，但對(duì)掘進(jìn)期間巷道圍巖變形影響不大。

由上可知，雖然相關(guān)學(xué)者對(duì)專用瓦斯抽采巷合理布置位置進(jìn)行了大量的研究，但研究方法相對(duì)單一，大部分學(xué)者運(yùn)用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，使用現(xiàn)場試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法的研究較少。陽煤一礦屬高瓦斯礦井，為了合理確定高低位抽采巷布置層位，以15#煤層的四個(gè)工作面為研究背景，對(duì)高瓦斯工作面的高低位抽采巷層位布置進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，對(duì)相應(yīng)的瓦斯抽采效果進(jìn)行分析研究，進(jìn)而確定高低位抽采巷的合理布置范圍。

1 工程概況

陽煤一礦位于山西省陽泉市西北部，井田位于山西省沁水煤田的北部，東西走向長14.5 km，南北傾斜寬9.8 km，井田面積83.6126 km2。15#煤層厚度6.35～7.88 m，平均厚度7.49 m。煤層傾角在1°～13°，平均傾角3°。煤層的瓦斯涌出量為190.15 m3/min，煤塵有爆炸性、有自燃傾向性、不易燃燒。工作面采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤一次采全高采煤方法，使用矩形斷面的進(jìn)風(fēng)巷，巷高3.7 m，巷寬5.2 m，凈面積19.24 m2。煤巖層覆存情況分析，15#煤層上方有一層灰黑色砂質(zhì)泥巖，平均厚度1.7 m；上部是灰色的石灰?guī)r，平均厚度達(dá)到2.5 m，致密堅(jiān)硬，含動(dòng)物化石；上部是灰黑色的泥巖，含黃鐵礦結(jié)核。

2 低位抽采巷位置分析

2.1 低位抽采巷抽采瓦斯原理

隨著工作面的不斷推進(jìn)，煤層底板煤柱應(yīng)力不斷增壓，煤巖體膨脹，而采空區(qū)底板應(yīng)力卻處于卸壓狀態(tài)，即工作面推進(jìn)過程中會(huì)不斷出現(xiàn)壓縮、膨脹、壓實(shí)三個(gè)區(qū)域[7]。在剪切力的作用下，兩界面處產(chǎn)生的離層和破斷裂隙形成裂隙帶；同時(shí)，下鄰近層承受壓力的改變，產(chǎn)生了膨脹變形，形成卸壓帶區(qū)域；由于兩帶的作用，大量瓦斯通過孔隙涌入開采層。因此，將底位抽采巷布置于兩帶內(nèi)，可以有效攔截底板瓦斯涌入工作面，降低工作面瓦斯含量[8]。

低位抽采巷瓦斯抽采技術(shù)多用于突出煤層或瓦斯抽放難度較大的煤層，一般布置在底板鄰近煤層中，通過施工本煤層鉆孔預(yù)抽底板鄰近煤層瓦斯，并且在抽采煤層回采過程中的瓦斯以及欲掘進(jìn)巷道影響范圍內(nèi)的瓦斯起到了顯著的效果[9]。底位抽采巷服務(wù)時(shí)間一般從巷道開拓完成開始，到工作面開采完結(jié)束。

2.2 低位抽采巷層位介紹

陽煤一礦現(xiàn)階段低抽巷層位有兩種形式，一種為以K2四節(jié)石為底板掘進(jìn)，距離15#頂板14 m左右，一種為以K2上部灰色石灰?guī)r為頂板掘進(jìn)，距離15#煤頂板5～8 m左右。

2.3 不同間距下低位抽采巷瓦斯抽采效果分析

在工作面回采推進(jìn)過程中，由于推進(jìn)速度的變化，瓦斯涌出量也會(huì)發(fā)生變化。一般情況下推進(jìn)越快，當(dāng)日瓦斯涌出量越大。為了盡量減小推進(jìn)速度對(duì)試驗(yàn)分析的影響，選取分析推進(jìn)度為2～3 m/d時(shí)的瓦斯抽采效果[10]。以一礦15#煤層的8304、81403、81303、81210 四個(gè)工作面為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)不同間距下的四個(gè)工作面進(jìn)行瓦斯抽采效果分析，得到如圖1和圖2所示的曲線圖。

圖 1 不同間距下低位抽采巷瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓?guī)律

圖 2 不同間距下上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

從圖1可知，四個(gè)試驗(yàn)工作面不同間距下低位抽采巷瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓厔菹嗤?，且整體呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)間距在11.5 m處抽采瓦斯?jié)舛燃凹兞窟_(dá)到最高值，抽采瓦斯?jié)舛葹?.27%，抽采瓦斯純量為10.08 m3/min。

從圖2可知，四個(gè)試驗(yàn)工作面不同間距下低位抽采巷上隅角瓦斯?jié)舛茸兓氏葴p小后增大的趨勢。而且在間距為11.5 m處達(dá)到最小值，此時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛葹?.41%。

2.4 同一工作面低位抽采巷層位變化瓦斯抽采效果分析

為進(jìn)一步確定低位抽采巷的合理位置，對(duì)同一工作面低位抽采巷層位變化瓦斯抽采效果進(jìn)行分析，為低位抽采巷位置的合理確定提供依據(jù)。

(1) 低位抽采巷瓦斯?jié)舛?、純量變化?guī)律。不同間距下的低位抽采巷瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓?guī)律如圖3所示。

圖 3 不同間距下低位抽采巷瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓?guī)律

從圖3可知，不同間距下四個(gè)試驗(yàn)工作面的低位抽采巷瓦斯?jié)舛扰c純量變化趨勢基本相同，整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)間距位12 m時(shí)，四個(gè)工作面的低位抽采巷瓦斯?jié)舛燃凹兞烤_(dá)到最大值。以81303工作面為例，當(dāng)間距在12 m時(shí)，抽采瓦斯?jié)舛葹?.96%，抽采瓦斯純量為14.01 m3/min，而間距超過12 m之后，抽采瓦斯?jié)舛乳_始下降，最終穩(wěn)定在1.8～2.1%范圍內(nèi)；抽采瓦斯純量也開始下降，并最終穩(wěn)定在5.58～7.84 m3/min范圍內(nèi)。

(2) 回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?、純量變化?guī)律。不同間距下的回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓?guī)律如圖4所示。

圖 4 不同間距下回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓?guī)律

從圖4可知，不同間距下四個(gè)試驗(yàn)工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛燃凹兞颗c低位抽采巷瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓厔菹喾?，整體呈先減小后增大的趨勢。同樣在間距為12 m時(shí)，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛燃凹兞烤_(dá)到最小值。以8304工作面為例，間距為12 m時(shí)，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.21%，回風(fēng)巷瓦斯純量為2.46 m3/min，當(dāng)間距超過12 m之后，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛燃巴咚辜兞块_始上升。

(3) 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律。不同間距下上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律如圖5所示。

圖 5 不同間距下上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

從圖5可知，不同間距變化下四個(gè)試驗(yàn)工作面上隅角瓦斯?jié)舛日w呈先減小后增大的趨勢，當(dāng)間距為12 m時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最小值。以8304工作面為例，間距為12 m時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.24%。當(dāng)間距超過12 m之后，上隅角瓦斯?jié)舛乳_始快速上升，最終穩(wěn)定在0.8～0.83%范圍內(nèi)。

3 高位抽采巷合理位置分析

3.1 高位抽采巷抽采瓦斯原理

受煤層開采影響，頂板上覆巖層可分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。工作面推進(jìn)后垮落帶巖層不規(guī)則垮落，其上部即為裂隙帶巖層，裂隙帶又可分為破斷裂隙和離層裂隙[11]。煤層開采后，采空區(qū)被垮落的巖層充滿，進(jìn)而壓實(shí)頂板巖層裂隙，而裂隙帶上部的離層部分卻能一定程度上被保留，瓦斯通過裂隙由采空區(qū)涌向離層，導(dǎo)致離層裂隙成為瓦斯積聚的主要場所[12]。

高位抽采巷布置在頂板裂隙帶內(nèi)就是運(yùn)用瓦斯運(yùn)動(dòng)特性，在工作面開采后，頂板巖層由下而上自然垮落，導(dǎo)致臨近層及圍巖內(nèi)的瓦斯平衡受到破壞，瓦斯通過裂隙大量涌入離層裂隙。由于瓦斯的密度相對(duì)空氣密度小，空氣浮力使瓦斯向上運(yùn)動(dòng)，對(duì)于U型通風(fēng)而言，采空區(qū)的瓦斯將沿工作面傾斜方向向上流動(dòng)并經(jīng)上隅角涌出[13]。因此，高位抽采巷通過對(duì)采空區(qū)頂板裂隙及垮落帶內(nèi)積存的高濃度瓦斯的抽取，進(jìn)而拉動(dòng)采空區(qū)下部瓦斯，減少工作面瓦斯涌出，控制上隅角瓦斯積聚。高位抽采巷抽采原理如圖6所示。

圖 6 高位抽采巷原理圖

3.2 高位抽采巷層位介紹

陽煤一礦現(xiàn)階段高抽巷層位有兩種形式，一種為12#煤上方1 m的黑色泥巖掘進(jìn)，距離15#頂板45 m左右，一種為以K4深灰色石灰?guī)r為底板掘進(jìn)，距離15#煤頂板55 m左右。

由上述內(nèi)容可知，由于采動(dòng)裂隙發(fā)育規(guī)律及瓦斯運(yùn)移特性，導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯分布不均。高位抽采巷布置的層位不同，能夠在很大程度上影響高位抽采巷的瓦斯抽采效果。高抽巷瓦斯抽采效果主要通過瓦斯抽采濃度及工作面上隅角瓦斯?jié)舛冗@兩個(gè)因素進(jìn)行考察[14]。但高位抽采巷帶來較好抽采效果的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度增大，進(jìn)而提高采空區(qū)氧濃度，煤炭加速氧化升溫產(chǎn)生的CO在漏風(fēng)風(fēng)流的驅(qū)動(dòng)下向采空區(qū)上部移動(dòng)，又由于CO本身密度比空氣略小，易聚積于采空區(qū)上部，結(jié)合這兩種作用及高位抽采巷層位變化，會(huì)導(dǎo)致CO的濃度的升高，進(jìn)而增大采空區(qū)遺煤的自燃可能性，所以高抽巷CO濃度變化的監(jiān)測，對(duì)預(yù)防采空區(qū)煤自燃具有重要意義[15]。因此，為綜合評(píng)估高位抽采巷的抽采效果，為高抽巷合理布置范圍的確定提供更為全面的依據(jù)，在考察瓦斯抽采濃度及上隅角瓦斯?jié)舛鹊耐瑫r(shí)，對(duì)高位抽采巷CO濃度進(jìn)行考察。

3.3 不同間距下高位抽采巷瓦斯抽采效果以及CO濃度變化分析

以一礦15#煤層的8304、81403、81303、81210四個(gè)工作面為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)不同層位下的四個(gè)工作面進(jìn)行瓦斯抽采效果及CO濃度變化規(guī)律進(jìn)行分析，得到如圖7和圖8所示的回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛燃巴咚辜兞亢透呶怀椴上顲O濃度變化曲線圖。

圖 7 不同間距下回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓?guī)律

圖 8 不同間距下高位抽采巷CO濃度變化規(guī)律

從圖7可知，四個(gè)試驗(yàn)工作面不同間距下回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓厔菹嗤w呈先減小后增大的趨勢。當(dāng)間距在53 m處回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛燃凹兞窟_(dá)到最小值，瓦斯?jié)舛葹?.41%，瓦斯純量為4.53 m3/min。

從圖8可知，不同間距下四個(gè)試驗(yàn)工作面高位抽采巷CO濃度變化呈先減小后增大的趨勢。而且在間距為53 m處達(dá)到最小值，此時(shí)高位抽采巷CO濃度為0.001%。

3.4 同一工作面高位抽采巷層位變化瓦斯抽采效果以及CO濃度變化分析

為進(jìn)一步確定高位抽采巷的合理位置，對(duì)同一工作面高位抽采巷層位變化瓦斯抽采效果及CO濃度變化進(jìn)行分析，為高位抽采巷位置的合理確定提供依據(jù)。

(1) 高位抽采巷瓦斯?jié)舛?、純量變化?guī)律。不同間距下的高位抽采巷瓦斯抽采效果如圖9所示。

圖 9 不同間距下高位抽采巷瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓?guī)律

從圖9可知，四個(gè)試驗(yàn)工作面不同間距下高位抽采巷瓦斯?jié)舛燃凹兞孔兓厔莼鞠嗤w上呈先增大后減小的趨勢，當(dāng)間距為55 m時(shí)達(dá)到最大值。以81303工作面為例，間距為55 m時(shí)，抽采瓦斯?jié)舛葹?1.3%，抽采瓦斯純量為91.18 m3/min，間距超過55 m之后，高位抽采巷瓦斯?jié)舛群图兞慷奸_始下降。

(2) 高位抽采巷CO濃度變化規(guī)律。不同間距下的高位抽采巷CO濃度變化規(guī)律如圖10所示。

圖 10 不同間距下高位抽采巷CO濃度變化規(guī)律

從圖10可知，四個(gè)試驗(yàn)工作面不同間距下高位抽采巷CO濃度整體呈先減小后增大的趨勢，在間距為55 m處達(dá)到最小值。以81403工作面為例，間距為55 m時(shí)，高位抽采巷CO濃度為0.0015%，間距超過55 m之后，CO濃度快速上升。

4 結(jié)論

(1) 通過縱向不同工作面低位抽采巷層位變化分析，橫向同一工作面低位抽采巷層位變化分析可知，低位抽采巷隨著層位變化，瓦斯?jié)舛燃凹兞烤尸F(xiàn)增大后減小趨勢；回風(fēng)巷上隅角瓦斯?jié)舛认喾?，整體呈先減小后增大趨勢。在低位抽采巷與回風(fēng)巷層位間距在12 m時(shí)，低位抽采巷瓦斯?jié)舛燃凹兞恐底罡咔一仫L(fēng)巷上隅角瓦斯?jié)舛茸畹?，因此確定最佳層位間距為12 m。

(2) 通過縱向不同工作面高位抽采巷層位變化分析，橫向同一工作面高位抽采巷層位變化分析可知，隨著層位變化，高位抽采巷瓦斯?jié)舛燃凹兞烤尸F(xiàn)先增大后減小趨勢；CO濃度呈現(xiàn)先減小后增大趨勢。在高位抽采巷與回風(fēng)巷層位間距55 m時(shí)，高位抽采巷瓦斯?jié)舛燃凹兞恐底罡?，CO濃度最低，抽采效果最好。