新元礦9104 工作面瓦斯分布規(guī)律與治理技術(shù)研究

李 雨 星

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司 ，山西 晉中 030600）

1 工程背景

本文以陽煤集團(tuán)新元礦為對(duì)象進(jìn)行了瓦斯治理研究，該礦井為煤與瓦斯突出礦井，主要可采煤層有3#、9#，其中 9104 工作面為 9# 煤層工作面，瓦斯平均涌出量42.00m3/min，煤層頂板以砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖為主，厚度為0.5～11.70m，采煤方式為一次采全高綜合機(jī)械化采煤法，采空區(qū)自然垮落，自燃等級(jí)為Ⅱ級(jí)，工作面進(jìn)風(fēng)回風(fēng)巷布置呈 U 形， 瓦斯壓力在0.6～0.8MPa 的范圍內(nèi)，已知煤層力學(xué)特性與瓦斯壓力之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系[1]，據(jù)上述數(shù)據(jù)可知該煤層瓦斯具有涌出量較大，有瓦斯突出的危險(xiǎn)件，為此有必要對(duì)瓦斯的來源進(jìn)行分析，并進(jìn)一步摸清瓦斯的分布規(guī)律，并為后續(xù)治理提供依據(jù)。

2 瓦斯來源及分布規(guī)律

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

為了掌握9 號(hào)煤層開采過程中工作面瓦斯主要來源及分布規(guī)律，進(jìn)一步完善瓦斯治理措施，對(duì)工作面不同瓦斯涌出源狀況和瓦斯?jié)舛鹊臏y(cè)定分析十分必要。本次采用單元法測(cè)試9104 工作面瓦斯涌出量，將工作面劃分為16 個(gè)單元，在進(jìn)風(fēng)巷道和回風(fēng)巷道中布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置平面圖見圖1。

圖1 瓦斯測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 測(cè)量結(jié)果分析

按照上述測(cè)點(diǎn)布置后，以進(jìn)風(fēng)側(cè)與切眼交匯處為原點(diǎn)構(gòu)建坐標(biāo)系，X 軸正向?yàn)轱L(fēng)流方向，Y 軸正向位采空區(qū)方向，Z 軸正向即底板至頂板，分別對(duì)瓦斯?jié)舛纫约帮L(fēng)量進(jìn)行測(cè)量，得出數(shù)據(jù)后繪制得到圖2 曲線。

圖2 （a）中為了保證檢測(cè)的準(zhǔn)確性，分別在工作面各支架間進(jìn)行了色譜分析，觀察曲線總體趨勢(shì)表現(xiàn)為瓦斯?jié)舛鹊脑黾樱诳拷M(jìn)風(fēng)流一側(cè)即0～150m 之間，瓦斯增速較緩慢，在150m～240m 之間，瓦斯增速迅速增大，其中在165m 處瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.5%，這是因?yàn)楣ぷ髅嬖诓蓜?dòng)過程中釋放了大量瓦斯，采煤機(jī)等大型設(shè)備也阻礙了風(fēng)流的流動(dòng)，而且采空區(qū)瓦斯也隨著風(fēng)流向上隅角流動(dòng)，這也就導(dǎo)致了瓦斯在回風(fēng)一側(cè)濃度提升速度快，綜上所述沿工作面X 軸方向上，回風(fēng)一側(cè)為工作面瓦斯積聚的主要區(qū)域，瓦斯來源為采煤過程中釋放的瓦斯以及采空區(qū)涌入工作面的瓦斯。

觀察圖2 （b） 可以看出整個(gè)巷道的風(fēng)流規(guī)律，0m～30m 范圍內(nèi)，風(fēng)量穩(wěn)定在 2040m3/min，在 30～90m范圍內(nèi)，風(fēng)量呈斷崖式下降，在90m～135m 范圍內(nèi)僅為 820m3/min，在 135m～190m 之間，風(fēng)量增加明顯，這是因?yàn)樵诖穗A段，采空區(qū)較多瓦斯涌入工作面，并進(jìn)一步造成了工作面上隅角瓦斯偏高。

圖 2（c）中，9104 工作面 Z 軸方向上，對(duì)工作面垂直方向上劃分為上部、中部、下部，瓦斯?jié)舛日w表現(xiàn)為上部> 下部> 中部，這是因?yàn)橥咚姑芏刃∮诳諝?，容易逸散至巷道上部，中部瓦斯小于下部瓦斯是因?yàn)橄锏里L(fēng)流主要集中在巷道中部，上部瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)2.2%，為此需要對(duì)回風(fēng)一側(cè)巷道上部瓦斯進(jìn)行集中治理。

圖2（d）中，在工作面Y 軸正向上瓦斯?jié)舛缺憩F(xiàn)為回風(fēng)側(cè)> 工作面中部> 進(jìn)風(fēng)側(cè)，進(jìn)風(fēng)一側(cè)瓦斯?jié)舛日w偏低，在工作面中部瓦斯?jié)舛容^高點(diǎn)位于煤壁以及采空區(qū)側(cè)，這是因?yàn)橹胁匡L(fēng)流攜帶采煤過程以及煤壁釋放的瓦斯，且中間風(fēng)速大兩邊風(fēng)速小，造成煤壁以及采空區(qū)處瓦斯?jié)舛容^高，采面回風(fēng)側(cè)從工作面以及采空區(qū)漏風(fēng)攜帶的瓦斯累計(jì)達(dá)到最大，煤壁處瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最高3.4%。

綜上所述可以看出采煤過程中釋放的瓦斯以及采空區(qū)涌入工作面的瓦斯造成了工作面瓦斯超限的現(xiàn)象，且回風(fēng)一側(cè)瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到了3.4%，瓦斯涌出量達(dá)到了48.9m3/min，沿工作面X 軸方向上，回風(fēng)一側(cè)為工作面瓦斯積聚的主要區(qū)域，工作面Z 軸方向上，瓦斯?jié)舛日w表現(xiàn)為上部> 下部> 中部，工作面Y 軸正向上，瓦斯?jié)舛容^高點(diǎn)都位于煤壁以及采空區(qū)側(cè)。

2.3 上隅角瓦斯涌出分布規(guī)律

經(jīng)過上述觀測(cè)后可以看出工作面瓦斯涌出規(guī)律，本礦井采用U 型通風(fēng)，上隅角因?yàn)轱L(fēng)向轉(zhuǎn)變過快容易出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象，為此為了了解上隅角瓦斯?jié)舛燃胺植记闆r，運(yùn)用單元法對(duì)上隅角區(qū)域進(jìn)行了劃分，共10 個(gè)區(qū)域，進(jìn)行監(jiān)測(cè)后將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到了圖

3 所示的上隅角瓦斯等值線圖。

圖3 上隅角瓦斯等值線圖

由圖3 可知，上隅角靠近頂板以及采空區(qū)側(cè)瓦斯?jié)舛绕撸疑嫌缃峭咚節(jié)舛茸罡哌_(dá)到3.4%，而在豎直方向上瓦斯?jié)舛鹊脑黾铀俾拭黠@高于水平方向。

3 瓦斯治理方案

3.1 采空區(qū)高位鉆孔抽采

在經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及分析后，得悉上隅角瓦斯聚積是因?yàn)椴擅核衣睹罕谕咚贯尫藕筒煽諈^(qū)瓦斯的涌出，并且容易向高處逸散。為此選用高位鉆孔抽采技術(shù)[4]對(duì)9104 工作面上隅角瓦斯進(jìn)行治理，鉆孔布置在9104 工作面風(fēng)巷，編組號(hào)為1- 8 組，除第4 組布置有6 個(gè)鉆孔外，其余 7 組各 3 個(gè)鉆孔，共27 個(gè)，鉆孔方位角為 18.5 ～36.0 ，孔深 97～130m 不等，鉆孔終孔位置距離頂板垂距從第1 組的20m 逐漸增大為第8 組的55m，各組之間每次遞增5m，開孔位置距風(fēng)巷底板1.8m，詳細(xì)布置如圖4 所示。

圖4 鉆孔位置示意圖

3.2 效果檢驗(yàn)

為了驗(yàn)證抽采效果，應(yīng)用fluent 軟件對(duì)9104 工作面抽采后進(jìn)行了建模，采空區(qū)模型的各邊界條件為：進(jìn)風(fēng)巷為固定進(jìn)風(fēng)口、回風(fēng)巷為自由出風(fēng)口，工作面風(fēng)量設(shè)置為2040 m3/min，抽采負(fù)壓為20Kpa，鉆孔直徑為0.1m，根據(jù)采空區(qū)區(qū)帶劃分為自燃堆積區(qū)、載荷影響區(qū)、壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)[2-3]，三區(qū)碎脹系數(shù)分別為1.5、1.3、1.1，孔隙率為 0.333、0.231、0.091，建模后得出了抽采結(jié)果如圖5 所示。

圖5 抽采前后瓦斯?jié)舛攘Ⅲw分布模擬圖

觀察圖5（a）（b）中瓦斯?jié)舛妊刈呦蚍植记闆r，可以看出在抽采后采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高，瓦斯?jié)舛葹?7%，但靠近工作面區(qū)域里瓦斯?jié)舛扔辛嗣黠@下降，瓦斯?jié)舛葍H為0.3%～0.7%，而上隅角瓦斯?jié)舛葹?.1%～0.5%之間，有效緩解了工作面及上隅角瓦斯超限問題。

觀察圖5（a）（b）中瓦斯?jié)舛妊貎A向分布情況，在采空區(qū)深處瓦斯總體分布規(guī)律依然為回風(fēng)側(cè)> 工作面中部> 進(jìn)風(fēng)側(cè)，但在工作面淺部區(qū)域有了明顯改變，工作面回風(fēng)側(cè)大體上與進(jìn)風(fēng)側(cè)處瓦斯?jié)舛纫恢?，?xì)微處瓦斯?jié)舛纫廊粸榛仫L(fēng)側(cè)> 進(jìn)風(fēng)側(cè)，自燃堆積區(qū)瓦斯?jié)舛扔辛嗣黠@改善，瓦斯?jié)舛茸罡呶?.7%，低瓦斯區(qū)域占比相比抽采前有了提高，抽采效果良好。

觀察圖5（a）（b）中在垂直方向上，瓦斯規(guī)律基本上沒有大的變化，依然為上部> 下部> 中部，但在瓦斯逸散的過程中，上部瓦斯?jié)舛仍黾颖嚷视辛嗣黠@的降低，未抽采前工作面上隅角上部最高瓦斯?jié)舛葹?.6%，抽采后最高瓦斯?jié)舛冉档蜑?.5%，采空區(qū)深部即壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)最高瓦斯?jié)舛葘榱?7%，降低了36%左右，從中可以看出抽采后采空區(qū)瓦斯?jié)舛扔兴陆担ぷ髅婵諝馇闆r得到了優(yōu)化。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

由3.2 中模擬得出高位瓦斯抽采可以有效降低上隅角瓦斯的濃度，對(duì)采空區(qū)瓦斯治理起到了較好的效果，為此在9104 工作面進(jìn)行工業(yè)實(shí)踐后，現(xiàn)場(chǎng)收集數(shù)據(jù)得出圖6、圖7。

圖6 9104 工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?/p>

圖7 9104 工作面瓦斯抽采率

觀察圖6 以及圖7 中數(shù)據(jù)可以明顯看出9104 工作面瓦斯?jié)舛榷荚?.6%以下，其中風(fēng)巷末尾以及上隅角處瓦斯?jié)舛茸罡咧祪H為0.52%左右，相比未抽采前降低了85.6%，而瓦斯抽采率穩(wěn)定在30%～60%之間，抽采效果較好，有效緩解了工作面以及上隅角的瓦斯超限情況。

4 結(jié) 論

1）通過在工作面布置測(cè)站得出現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析后得出9104 工作面瓦斯涌出量來源為采煤新揭露煤壁的解吸和采空區(qū)瓦斯的涌出，沿工作面X 軸方向上，回風(fēng)一側(cè)瓦斯?jié)舛葹檫M(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛鹊? 倍左右，工作面Z 軸方向上，瓦斯?jié)舛日w表現(xiàn)為上部> 下部> 中部，工作面Y 軸正向上，瓦斯?jié)舛容^高點(diǎn)都位于煤壁以及采空區(qū)側(cè)。

2） 通過單元法得出的等值線圖得出了上隅角瓦斯在空間方位上，越靠近順槽頂板和采空區(qū)處瓦斯?jié)舛仍礁?，且上隅角瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到3.4%，而在豎直方向上瓦斯?jié)舛鹊脑黾铀俾拭黠@高于水平方向。

3） 經(jīng)過數(shù)值模擬得出高位抽采鉆孔技術(shù)應(yīng)用效果良好，工業(yè)實(shí)踐后得出上隅角瓦斯?jié)舛仍?.10%～0.5%之間，抽采率達(dá)到了30%以上，瓦斯超限情況得到了較好的治理。