厚煤層上分層工作面采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)研究

張 學(xué) 紅

（山西陽城陽泰集團伏巖煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105）

1 工程概況

山西陽城伏巖煤業(yè)3203 上分層工作面位于二采區(qū)西側(cè)，工作面地面標(biāo)高+858～+923m，井下標(biāo)高+425～+465m，主采 3# 煤層，煤層均厚為 4.96m，平均傾角為4°，上分層工作面采用綜合機械化采煤方法，采高3.2m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知3# 煤層屬于煤與瓦斯突出煤層， 煤層原始瓦斯壓力為1.01～1.51MPa， 原 始 瓦 斯 含 量 為 10.81～14.7m3/t。3203 上分層工作面采用雙巷布置，雙巷之間通過橫貫連接，為了貫徹《煤礦安全規(guī)程》（2016 版）取消回采工作面專用排瓦斯巷的規(guī)定，伏巖煤業(yè)從3203上分層工作面開始采用"U" 型通風(fēng)方式，工作面雙巷間的橫貫采用混凝土墻進行密閉。

3203 上分層工作面現(xiàn)有高位鉆孔瓦斯抽采和本煤層瓦斯抽采系統(tǒng)，但工作面采用U 型通風(fēng)后，將取消尾部橫貫通風(fēng)，致使上隅角風(fēng)流方向發(fā)生變化，采空區(qū)瓦斯會涌入上隅角，但工作面目前現(xiàn)有的抽采瓦斯系統(tǒng)，無法解決上隅角瓦斯易超限的問題，故需針對現(xiàn)有情況，進行采空區(qū)瓦斯的治理。

2 采空區(qū)瓦斯抽采方案

2.1 抽采方案設(shè)計

工作面上隅角區(qū)域易出現(xiàn)瓦斯超限的主要原因為采空區(qū)瓦斯向該區(qū)域大量涌出，且該區(qū)域的局部位置風(fēng)流不暢，進而致使出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象[1- 2]?；?203 上分層工作面瓦斯賦存特征，確定針對采空區(qū)采用" 沿空插管+ 橫貫密閉插管" 相結(jié)合抽采方法。

1）沿空插管抽采方法：通過在工作面回風(fēng)巷內(nèi)提前布置Φ529mm 的抽采管，在工作面超前支護至工作面上隅角之間外利用Φ600mm 負(fù)壓風(fēng)筒連接抽采管，并將抽采管伸入工作面上隅角密柱后，通過抽采系統(tǒng)進行上隅角附近采空區(qū)的瓦斯抽采作業(yè)，伸入密柱后的抽采管距頂250mm，距幫250mm，伸入長度不得超過1.5m，同時在上隅角密柱后沿頂搭建風(fēng)障，減少進入采空區(qū)的風(fēng)量，降低采空區(qū)瓦斯向回風(fēng)流涌出，確保上隅角瓦斯的抽采。

圖1 3203 上分層工作面采空區(qū)沿空插管示意圖

2）橫貫密閉插管抽采方法：把Ф529mm 管路敷設(shè)到回風(fēng)巷鄰近巷道，在橫貫密閉上部插入抽放管路直至工作面回風(fēng)順槽口，抽放管路上安設(shè)閥門，當(dāng)工作面回采到橫貫密閉處，打開閥門利用新增的低負(fù)壓抽采系統(tǒng)對采空區(qū)進行瓦斯抽采?，F(xiàn)在根據(jù)實際抽采效果，不斷調(diào)整，得到合理的參數(shù)。

圖2 橫貫密閉插管示意圖

2.2 抽采效果預(yù)測

伏巖煤礦3203 上分層工作面采空區(qū)瓦斯采用沿空埋管+ 橫貫密閉插管瓦斯抽采方法，利用地面瓦斯泵站低負(fù)壓系統(tǒng)進行抽采，抽采混量約為180m3/min，瓦斯?jié)舛燃s為2.3%，則抽采純量為4.14 m3/min。同時，考慮到回采工作面之間瓦斯涌出的不均衡性，按照1.2 倍的富裕系數(shù)進行計算，預(yù)計新增井下臨時瓦斯抽采系統(tǒng)瓦斯抽采純量約為5.0 m3/min。；另外通過考察鄰近礦井的經(jīng)驗來看，采用上述采空區(qū)瓦斯抽采方案，瓦斯?jié)舛然径寄芊€(wěn)定在4%以上。

結(jié)合現(xiàn)場實踐以及上隅角瓦斯治理的需求[3-4]，要達到上隅角處有風(fēng)流流過，并且能夠保證風(fēng)流的穩(wěn)定，最終確定回采工作面采空區(qū)抽采瓦斯純量為5.0m3/min，瓦斯?jié)舛葹?%。

2.3 瓦斯排放地點的選擇

3203 上分層工作面采空區(qū)瓦斯抽采系統(tǒng)所抽采的瓦斯若排放到回風(fēng)巷中，則會引起回風(fēng)巷排入的瓦斯量過大出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，因此，為了最大限度保證回風(fēng)巷瓦斯安全，同時考慮到抽采泵能力的限制，設(shè)計3203 采空區(qū)采用沿空插管+ 橫貫密閉插管抽采的瓦斯排放到東翼采區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)，再經(jīng)總回風(fēng)巷由回風(fēng)立井直接排到地面，現(xiàn)通過理論計算具體驗證瓦斯排放點設(shè)置在東翼采區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)的合理性：

回風(fēng)巷能解決的瓦斯量以下式表示：

式中：Q0為回風(fēng)巷風(fēng)量，m3/min；C 為《煤礦安全規(guī)程》允許的總回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛龋?.75%，本設(shè)計取0.7%。K 為瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取K=1.2；Q 為礦井瓦斯涌出量，m3/min；

東翼采區(qū)回風(fēng)巷風(fēng)量約為4200m3/min，回風(fēng)巷允許瓦斯?jié)舛劝?.7%計算，通風(fēng)能解決的瓦斯量為：Q=4200×0.7/100/1.2=24.5m3/min。

3203 上分層工作面回采期間，東翼采區(qū)回風(fēng)巷回風(fēng)流瓦斯?jié)舛燃s為0.3%，風(fēng)排瓦斯量為15.9 m3/min，如果增加井下臨時泵站抽采5m3/min，風(fēng)排瓦斯量為20.9m3/min，小于東翼采區(qū)回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯能力24.5m3/min。由以上計算可知，伏巖煤礦東翼采區(qū)回風(fēng)巷配風(fēng)量能夠滿足稀釋瓦斯涌出的要求，因此3203 上分層工作面采空區(qū)瓦斯抽采系統(tǒng)可以將抽出的瓦斯直接排到東翼采區(qū)回風(fēng)巷中。

2.4 抽采管路的選擇及布置

抽采瓦斯管徑選擇是否合理，對抽采瓦斯系統(tǒng)的建設(shè)投資及抽采系統(tǒng)效果有很大影響[5-6]。在進行抽采系統(tǒng)管徑選型作業(yè)時，具體抽采瓦斯管內(nèi)徑D計算表達式為：

式中：D 為抽采瓦斯管內(nèi)徑，m；V 為抽采管內(nèi)瓦斯平均流速，經(jīng)濟流速V＝5～12m/s；Q 為抽采管內(nèi)混合瓦斯流量，m3/min。

3203 上分層工作面采空區(qū)抽采系統(tǒng)分為正壓段和負(fù)壓段，其中由總回風(fēng)巷到抽采泵站區(qū)域為正壓段，抽采泵站到回風(fēng)順槽埋管支管管口為負(fù)壓段。根據(jù)上述采空區(qū)瓦斯量預(yù)計結(jié)果，具體3203 上分層工作面采空區(qū)瓦斯抽采系統(tǒng)管徑選擇結(jié)果如表1 所示。

基于表1 中的數(shù)據(jù)可知，沿空插管抽采+ 橫貫密閉插管抽采管路選用Ф529×6mm 螺旋焊縫鋼管，匯集到東翼采區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯抽采干管使用Ф820×8mm 螺旋焊縫鋼管。

表1 抽采系統(tǒng)瓦斯管徑選擇結(jié)果

抽采瓦斯系統(tǒng)管網(wǎng)敷設(shè)路線為：工作面回風(fēng)順槽支管→東翼采區(qū)回風(fēng)巷干管→井下臨時抽采瓦斯泵站→回風(fēng)巷干管，具體如圖3 所示。

圖3 采空區(qū)瓦斯抽采管路布置示意圖

3 瓦斯治理效果

為分析3203 上分層工作面采空區(qū)瓦斯抽采效果，工作面回采期間持續(xù)進行上隅角區(qū)域瓦斯含量的測定作業(yè)，根據(jù)監(jiān)測所得的上隅角瓦斯含量數(shù)據(jù)，能夠繪制出上隅角瓦斯含量與工作面推進距離之間的關(guān)系曲線，如圖4 所示。

圖4 3203 上分層工作面回采期間上隅角瓦斯?jié)舛惹€圖

根據(jù)圖中的曲線可知，監(jiān)測期間上隅角的瓦斯含量穩(wěn)定在0.18%～0.75%的范圍內(nèi)。另外從圖中能夠看出，工作面上隅角瓦斯含量出現(xiàn)波動的現(xiàn)象，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因為隨著工作面回采作業(yè)的進行，采空區(qū)的面積會逐漸加大，橫貫密閉插管對上隅角的瓦斯?jié)舛鹊目刂菩Ч饾u減弱，從而出現(xiàn)瓦斯含量上升的現(xiàn)象；隨著工作面回采作業(yè)繼續(xù)進行，工作面與下一個橫貫密閉插管間距離逐漸縮短，橫貫密閉插管抽采對工作面上隅角瓦斯含量的控制效果又出現(xiàn)提升的現(xiàn)象，致使上隅角的瓦斯含量出現(xiàn)下降。綜合上述分析可知，在3203 上分層工作面采用采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)后，工作面上隅角瓦斯?jié)舛仁冀K維持在0.8%以下，無瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn)。

4 結(jié) 論

根據(jù)3203 上分層工作面的巷道布置及通風(fēng)方式，結(jié)合工作面地質(zhì)條件，設(shè)計工作面采空區(qū)瓦斯抽采采用沿空插管+ 橫貫密閉插管抽采，并通過具體分析確定抽采地點及抽采管路直徑。根據(jù)工作面回采期間上隅角瓦斯含量的監(jiān)測結(jié)果得出，采空區(qū)抽采技術(shù)實施后，上隅角無瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn)，為工作面的安全回采提供了保障。