屯蘭礦18403 工作面上隅角瓦斯治理研究

郝俊忠

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

0 引 言

在開(kāi)采深部煤層過(guò)程中，由于煤層中的瓦斯含量高，使得工作面瓦斯超標(biāo)問(wèn)題異常突出，采空區(qū)瓦斯作為回采工作面瓦斯涌出的主體部分約占總量的50%～60%。當(dāng)采空區(qū)瓦斯的涌出量過(guò)大時(shí)，在工作面上隅角瓦斯?jié)舛容^大，因此對(duì)工作面上隅角瓦斯聚集進(jìn)行治理是十分必要的。華明國(guó)等[1]為了解決工作面上隅角瓦斯問(wèn)題，提出大直徑鉆孔治理技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)，鉆孔成孔率從40%增大至89%，鉆桿斷裂率從60%降低到22.2%，鉆孔的最終高度從平均1.6 m 增大至3.0 m，較好的提高了施工質(zhì)量，提升了瓦斯抽采效果[2-3]。為此，屯蘭礦針對(duì)18403 工作面上隅角瓦斯治理選定U＋采空區(qū)埋管＋高抽采的治理方案，研究了治理后瓦斯漏風(fēng)、涌出及瓦斯的運(yùn)移規(guī)律，并對(duì)不同治理參數(shù)對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛扔绊戇M(jìn)行研究，保證礦井的安全生產(chǎn)。

1 礦井概況及工作面瓦斯?jié)舛妊芯?/h2>

屯蘭礦位于西山煤田之東部邊緣，距太原市約60 km，井田面積73.33 km3，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力500萬(wàn)t。18403 工作面所采的8 號(hào)煤層位于山西組下部，屬于穩(wěn)定性煤層。工作面的北側(cè)與西側(cè)是實(shí)體煤，回風(fēng)大巷由回風(fēng)順槽、高抽巷、進(jìn)風(fēng)順巷及切眼組成。進(jìn)風(fēng)順巷長(zhǎng)2 520.6 m，高抽巷長(zhǎng)2 384.7 m，回風(fēng)順槽長(zhǎng)2 381.7 m，工作面切眼長(zhǎng)290 m，煤層的采長(zhǎng)為2 510.6 m。工作面煤層厚度為6.25 ～6.55 m，均厚6.4 m，采用走向長(zhǎng)壁后退式放頂煤采煤法。工作面瓦斯原始含量為10 m3/t，可治理瓦斯含量為7.1 m3/t，殘留約為2.4 m3/t，因此為高瓦斯工作面。工作面順槽平行孔由φ400 mm 的瓦斯管進(jìn)行連接，北風(fēng)井由1 號(hào)泵站進(jìn)行抽采，同樣膠帶順槽連接北風(fēng)井1 號(hào)泵站抽采，在采空區(qū)布置φ400 mm 的埋管連接北風(fēng)井2 號(hào)泵站抽采，高抽巷連接北風(fēng)井2 號(hào)泵站利用φ630 mm 瓦斯管進(jìn)行帶抽，最后利用φ800 mm 的瓦斯管進(jìn)行風(fēng)排[4]。

對(duì)抽采方案下18403 工作面的抽采情況進(jìn)行一定的研究，首先在工作面的順槽進(jìn)行鉆孔布置，在膠帶順槽距離切眼400 m 內(nèi)、回風(fēng)巷距切眼600 m內(nèi)布置鉆孔，工作面抽采情況見(jiàn)表1。

表1 工作面鉆孔抽采情況Table 1 Borehole extraction of working face

從表1 可以看出，在膠帶順槽位置瓦斯純量為10.2 m3/min，瓦斯的混量為70.7 m3/min，瓦斯?jié)舛葹?4.4%，在回風(fēng)順槽位置瓦斯純量為6.5 m3/min，瓦斯的混量為80.9 m3/min，瓦斯?jié)舛葹?.8%，整個(gè)工作面瓦斯抽采純量約為16.6 m3/min，占抽采總量的34.5%。

在18403 工作面膠帶順槽裂隙帶布置24 個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)含有12 個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔的深度為130 m，鉆孔開(kāi)孔的高度為1.8 m，鉆孔的間距為0.5 m，鉆孔控制在膠皮順槽的100 m 范圍內(nèi)。工作面的裂隙帶鉆孔瓦斯純量為1.2 m3/min，約占總抽采量的2.5%，可以看出抽采瓦斯?jié)舛容^低，抽采的混合流量較大，同時(shí)2 號(hào)鉆場(chǎng)的瓦斯抽采濃度較大，瓦斯抽采效果好[5-6]。對(duì)1 號(hào)高抽巷的抽采效果進(jìn)行分析，工作面的平均排風(fēng)量為2.3 m3/min，抽采負(fù)壓為7 kPa，抽采的混量為263.3 m3/min，抽采濃度為5.4%，抽采純量為14.22 m3/min。1 號(hào)高抽巷的抽采效果進(jìn)行分析，工作面的抽采負(fù)壓為7 kPa，抽采的混量為262.2 m3/min，抽采濃度為5.9%，抽采純量為15.48 m3/min。高抽巷總的抽采量為29.67 m3/min，占總量的61.5%。對(duì)上隅角進(jìn)行埋管抽采，在回風(fēng)順槽接φ400 mmPE 對(duì)上隅角進(jìn)行帶抽，抽采負(fù)壓為3 kPa，抽采的混量為24.56 m3/min，抽采濃度為2.97%，純量為0.74 m3/min，占了總量的1.53%。

2 數(shù)值模擬研究

頂板的高抽巷是防止工作面上隅角瓦斯聚集而設(shè)置的，高抽巷的抽采效果不僅與頂板的發(fā)育程度等有關(guān)，也與抽采參數(shù)有關(guān)，因此對(duì)高抽巷的抽采參數(shù)進(jìn)行模擬研究。模擬忽略采煤機(jī)等采煤設(shè)備，不考慮礦井周期來(lái)壓等情況，建立進(jìn)風(fēng)回風(fēng)巷的長(zhǎng)寬高分別為20 m、5 m、3 m，高抽巷的長(zhǎng)寬高分別為10 m、3 m、3 m，工作面的尺寸分別為長(zhǎng)290 m、寬9 m、高3 m。完成模型建立后，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。對(duì)不同高抽巷層位下采空區(qū)瓦斯的濃度分布進(jìn)行模擬，模擬圖如圖1 所示。

圖1 不同高抽巷層位采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植糉ig.1 Gas concentration distribution in goaf at different high drainage levels

由圖1 可以看出，采空區(qū)的瓦斯?jié)舛仍谡w分布上呈現(xiàn)出回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛容^大，而進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛刃〉奶攸c(diǎn)。這是由于在采空區(qū)的進(jìn)風(fēng)側(cè)由于進(jìn)風(fēng)流的作用使得瓦斯?jié)舛鹊玫揭欢ǔ潭鹊南♂?，所以呈現(xiàn)出瓦斯?jié)舛容^低的特點(diǎn)。在采空區(qū)的回風(fēng)側(cè)，由于通風(fēng)阻力使得瓦斯聚集。同時(shí)在豎直方向上，采空區(qū)從上至下的瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)，這是由于采空區(qū)下部冒落帶的漏風(fēng)量大，而頂板裂隙帶的漏風(fēng)量較低，所以瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)上述趨勢(shì)，瓦斯?jié)舛让芏容^小，易浮于空氣的上方，也會(huì)造成這種情況。高抽巷層位的改變對(duì)瓦斯?jié)舛日w的影響較小，但對(duì)上隅角的瓦斯?jié)舛扔兄^大的影響，隨著高抽巷水平方向距離風(fēng)巷的增加，高抽巷對(duì)上隅角的影響范圍逐步增大，低濃度區(qū)域的范圍變大，所以高抽巷距離上隅角范圍的增大使得上隅角瓦斯治理難度增大，治理效果較差，不利于上隅角瓦斯?jié)舛鹊目刂芠7-8]。

對(duì)采空區(qū)埋管深度10、30、50 和70 m 的瓦斯抽采濃度及上隅角濃度進(jìn)行分析，不同埋深瓦斯?jié)舛茸兓€如圖2 所示。

圖2 埋管深度上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€Fig.2 Variation curve of gas concentration in upper corner of buried pipe depth

從圖2 中可以看出，隨著埋管深度的不斷增大，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)埋管深度為10 m 時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛葹?%；當(dāng)埋管深度增大至30 m 時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛葴p小至0.75%；當(dāng)埋管深度增大至50 m 時(shí)，此時(shí)的上隅角瓦斯?jié)舛仍龃笾?.56%；當(dāng)埋管深度為70 m 時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛茸畲鬄?%。可以看出當(dāng)采空區(qū)的埋管深度為30 ～40 m 時(shí)，采空區(qū)上隅角的瓦斯?jié)舛瓤梢杂行У目刂圃?%以下，同時(shí)埋管抽采效果較好，在一定程度上保障了工作面的安全，減小了能源的浪費(fèi)[9-10]。

3 結(jié) 語(yǔ)

屯蘭礦結(jié)合18403 工作面地質(zhì)條件制定了U＋采空區(qū)埋管＋高抽采的瓦斯治理方案，并對(duì)治理后的瓦斯抽采效果進(jìn)行分析，為后續(xù)的研究提供依據(jù)。利用數(shù)值模擬對(duì)不同高抽巷層位下綜采面瓦斯分布情況進(jìn)行分析，確定當(dāng)距離煤層底板和回風(fēng)順槽20 m 的位置為最佳布置層位。同時(shí)，利用數(shù)值模擬對(duì)不同埋管埋深下上隅角瓦斯分布情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著埋深的增大，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，同時(shí)埋深30 ～40 m 時(shí)效果最佳。