裕泰煤業(yè)15102 工作面高抽巷瓦斯抽采研究與應(yīng)用

李繼平

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045200）

1 工程概況

山西陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）平定裕泰煤業(yè)有限公司15102 工作面主要開(kāi)采15#煤層，煤層平均厚度為5.50m，全區(qū)穩(wěn)定可采。煤層頂板巖層主要為砂質(zhì)泥巖與粉砂巖，底板巖層主要為泥巖與灰?guī)r。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，通風(fēng)方式為“一進(jìn)兩回”（運(yùn)輸順槽進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)順槽及內(nèi)錯(cuò)尾巷回風(fēng)），即“U+I”的通風(fēng)方式。具體通風(fēng)方式如圖1 所示。

圖1 15102 綜放工作面通風(fēng)方式示意圖

根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，15#煤層瓦斯含量為7.71m3/t，瓦斯壓力為0.2MPa，透氣性系數(shù)為0.0213m2/MPa2·d，百米鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)為0.177d-1?；谏鲜鰯?shù)據(jù)可知，15#煤層屬于較難抽采煤層。15102 工作面通過(guò)布置高抽巷進(jìn)行采空區(qū)裂隙帶的瓦斯抽采，采用頂板穿層鉆孔抽采鄰近層瓦斯，閉墻壓管抽采采空區(qū)瓦斯，布置本煤層鉆孔進(jìn)行回采作業(yè)時(shí)的瓦斯抽采作業(yè)。由于采空區(qū)裂隙帶的瓦斯涌出量較大，故為有效治理裂隙帶瓦斯，需對(duì)高抽巷瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

2 高抽巷布置參數(shù)分析

2.1 高抽巷合理位置分析

為充分保障15102 工作面瓦斯抽采的效率，現(xiàn)采用Fluent 數(shù)值模擬軟件對(duì)高抽巷的合理位置進(jìn)行分析。根據(jù)15102 工作面的具體地質(zhì)條件，建立長(zhǎng)×寬×高=20m×5m×4m 的數(shù)值模型，設(shè)置垮落帶的高度為25m，裂隙帶的高度為100m，將風(fēng)流的進(jìn)口與出口分別設(shè)置為進(jìn)風(fēng)巷與內(nèi)錯(cuò)尾巷。具體數(shù)值模型走向剖面簡(jiǎn)化模型圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)值模擬模型走向剖面圖

根據(jù)15102 工作面的具體情況，對(duì)模型中的滲透率、質(zhì)量源相和粘性阻力系數(shù)進(jìn)行賦值[1-2]。具體設(shè)置自燃堆積區(qū)、載荷影響區(qū)、壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)和裂隙帶的粘性阻力系數(shù)分別為1.1×105m-2、4.5×105m-2、5.6×105m-2和9.6×105m-2，滲透率分別為0.37、0.17、0.09 和0.02。設(shè)置工作面和采空區(qū)的質(zhì)量源相分別為3024和110880。分別設(shè)置高抽巷與煤層頂板垂距、與回風(fēng)巷垂距不同時(shí)，對(duì)瓦斯抽采效果進(jìn)行分析，具體設(shè)置的模擬方案為：高抽巷與煤層頂板垂距，高抽巷與回風(fēng)平巷垂距分別為（35m，35m）、（35m，40m）、（35m，45m）、（30m，40m）和（40m，40m）。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出工作面在不同位置高抽巷內(nèi)進(jìn)行瓦斯抽采作業(yè)時(shí)，瓦斯抽采的濃度、上隅角瓦斯?jié)舛燃盎仫L(fēng)巷的瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)如表1 所示。

通過(guò)具體分析表1 可知，當(dāng)高抽巷與煤層頂板間的垂直距離為35m 時(shí)，高抽巷與回風(fēng)巷平距為35m、40m 和45m 三種情況下，在高抽巷與回風(fēng)巷平距為40m 時(shí)，瓦斯抽采濃度最大，抽采濃度在26%～28%，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸钚?，?.5%～0.7%，工作面上隅角瓦斯?jié)舛?.6%～0.8%。當(dāng)高抽巷與回風(fēng)巷間的距離為40m 時(shí)，在高抽巷與煤層頂板垂距分別為30m、35m 和40m 三種情況下，當(dāng)高抽巷與煤層頂板垂距為30m、與回風(fēng)巷垂距為40m 時(shí)，瓦斯的抽采濃度較小，這是由于巷道位置與垮落帶的邊界較為接近造成的。當(dāng)高抽巷與煤層頂板垂距為40m、與回風(fēng)巷平距為40m 時(shí)，此時(shí)瓦斯抽采濃度較大，但根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠看出此時(shí)的瓦斯抽采純量較小。故綜合上述分析可知，布置高抽巷的合理位置與煤層頂板垂距為35m，與回風(fēng)巷平距為40m。具體高抽巷在該種布置方式下的采場(chǎng)瓦斯分布特征及高抽巷內(nèi)流體的速度矢量圖如圖3 所示。

表1 高抽巷處于不同位置時(shí)瓦斯抽采效果

圖3 高抽巷與煤層頂板垂距35m、與回風(fēng)巷垂距40m時(shí)模擬結(jié)果

2.2 高抽巷抽采系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

（1）抽采負(fù)壓。為有效確定高抽巷的抽采負(fù)壓，在確定了高抽巷的布置層位后，采用數(shù)值模擬軟件，模擬抽采負(fù)壓分別為1.5kPa、2.5kPa 和3.5kPa 時(shí)高抽巷的瓦斯抽采效果。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出，不同抽采負(fù)壓下瓦斯抽采效果如表2 所示。

通過(guò)具體分析表2 可知，隨著高抽巷瓦斯抽采負(fù)壓的增大，高抽巷的混合流量出現(xiàn)逐漸增大、瓦斯的抽采濃度逐漸減小、回風(fēng)巷內(nèi)的混合流量及濃度出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。其中隨著抽采負(fù)壓的增大，高抽巷內(nèi)的抽采混合流量變化較為明顯，而回風(fēng)巷的混合流量受到抽采負(fù)壓的影響較小。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果看出，抽采負(fù)壓增大到3.5kPa 時(shí)，打破了工作面采空區(qū)的瓦斯平衡，使得漏風(fēng)量增大?；谏鲜龇治龃_定高抽巷的抽采負(fù)壓為2.5kPa。

表2 不同抽采負(fù)壓下瓦斯效果數(shù)據(jù)表

（2）抽采管徑。高抽巷的瓦斯抽采管徑，具體按照下式計(jì)算[3-4]：

式中：

d-抽采管路的內(nèi)徑；

V-經(jīng)濟(jì)流速；

Q-管路內(nèi)的混合瓦斯流量。

根據(jù)15102 工作面的具體情況，確定高抽巷的瓦斯抽采主管選用D820mm×10mm 的螺旋焊接鋼管，采區(qū)回風(fēng)巷的主管路選用D630mm×8mm。

（3）抽采設(shè)備。根據(jù)抽采設(shè)備的選型原則知[5-6]，抽采泵機(jī)應(yīng)選用濕式、防爆的電器設(shè)備?；谏鲜鲈瓌t，結(jié)合瓦斯抽采系統(tǒng)特征，確定抽采設(shè)備規(guī)格為40m3/min，安裝功率為900kW 的水環(huán)式真空泵2 臺(tái)。

3 瓦斯治理效果評(píng)價(jià)

高抽巷布置平面圖如圖4 所示。

為有效驗(yàn)證分析15102 工作面高抽巷的瓦斯抽采效果，在工作面進(jìn)行瓦斯抽采期間，進(jìn)行長(zhǎng)期瓦斯抽采的監(jiān)測(cè)作業(yè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠得出瓦斯的絕對(duì)涌出量及高抽巷抽采瓦斯所占的比例，具體如圖5 所示。

通過(guò)具體分析圖5 可知，在15102 工作面回采期間，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，高抽巷內(nèi)的瓦斯抽采量及瓦斯抽采濃度均出現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。其中在3 月18 日后，高抽巷的瓦斯抽采量能夠占到工作面瓦斯涌出量的40%～50%，瓦斯抽采純量在17～27 m3/min 的范圍內(nèi)，平均瓦斯抽采純量為22 m3/min。

圖4 15102 工作面高抽巷布置位置示意圖

圖5 高抽巷抽采瓦斯量及所占比例曲線圖

根據(jù)工作面回采期間瓦斯抽采的監(jiān)測(cè)結(jié)果，同樣能夠得出工作面上隅角、回風(fēng)巷、瓦斯尾巷及工作面的瓦斯?jié)舛茸兓€如圖6 所示。

圖6 工作面區(qū)域瓦斯?jié)舛茸兓€圖

通過(guò)具體分析圖6 可知，在15102 綜放工作面回采期間，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看出采空區(qū)及周圍煤巖體內(nèi)賦存的瓦斯得到有效的抽采。由于高抽巷抽采系統(tǒng)的合理布置，能夠?qū)⑥D(zhuǎn)移出的瓦斯有效的抽走，在高抽巷的正常抽采期間，其平均的瓦斯抽采率基本大于40%，回采期間內(nèi)錯(cuò)尾巷的瓦斯?jié)舛忍幱?.9%～2.3%的范圍內(nèi)，上隅角的瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.6%～0.8%的范圍內(nèi)，工作面進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛染€(wěn)定在0.5%～0.6%的范圍內(nèi)，表明15102工作面高抽巷的瓦斯抽采系統(tǒng)布置合理，能夠進(jìn)行高效抽采作業(yè)，保障工作面安全回采。

4 結(jié)論

根據(jù)15102 綜放工作面瓦斯賦存及地質(zhì)條件，利用數(shù)值模擬軟件具體分析了高抽巷的合理布置位置及抽采作業(yè)時(shí)的合理抽采負(fù)壓，基于數(shù)值模擬結(jié)果得出高抽巷的合理位置與煤層頂板垂距為35m，與回風(fēng)巷平距為40m，確定抽采負(fù)壓為2.5kPa，并結(jié)合工作面具體情況對(duì)抽采系統(tǒng)的其余參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)瓦斯抽采監(jiān)測(cè)結(jié)果，高抽巷的瓦斯抽采量能夠占到工作面瓦斯涌出的量的40%～50%，平均的瓦斯抽采純量為22m3/min，工作面無(wú)瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn)，保障了工作面的安全開(kāi)采。