郝俊忠
(西山煤電集團有限責任公司,山西 太原 030053)
在開采深部煤層過程中,由于煤層中的瓦斯含量高,使得工作面瓦斯超標問題異常突出,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%。當采空區(qū)瓦斯的涌出量過大時,在工作面上隅角瓦斯?jié)舛容^大,因此對工作面上隅角瓦斯聚集進行治理是十分必要的。華明國等[1]為了解決工作面上隅角瓦斯問題,提出大直徑鉆孔治理技術(shù),通過現(xiàn)場施工發(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、涌出及瓦斯的運移規(guī)律,并對不同治理參數(shù)對上隅角瓦斯?jié)舛扔绊戇M行研究,保證礦井的安全生產(chǎn)。
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,設計年生產(chǎn)能力500萬t。18403 工作面所采的8 號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)是實體煤,回風大巷由回風順槽、高抽巷、進風順巷及切眼組成。進風順巷長2 520.6 m,高抽巷長2 384.7 m,回風順槽長2 381.7 m,工作面切眼長290 m,煤層的采長為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 的瓦斯管進行連接,北風井由1 號泵站進行抽采,同樣膠帶順槽連接北風井1 號泵站抽采,在采空區(qū)布置φ400 mm 的埋管連接北風井2 號泵站抽采,高抽巷連接北風井2 號泵站利用φ630 mm 瓦斯管進行帶抽,最后利用φ800 mm 的瓦斯管進行風排[4]。
對抽采方案下18403 工作面的抽采情況進行一定的研究,首先在工作面的順槽進行鉆孔布置,在膠帶順槽距離切眼400 m 內(nèi)、回風巷距切眼600 m內(nèi)布置鉆孔,工作面抽采情況見表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 個鉆場,每個鉆場含有12 個鉆孔,每個鉆孔的深度為130 m,鉆孔開孔的高度為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2 號鉆場的瓦斯抽采濃度較大,瓦斯抽采效果好[5-6]。對1 號高抽巷的抽采效果進行分析,工作面的平均排風量為2.3 m3/min,抽采負壓為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 號高抽巷的抽采效果進行分析,工作面的抽采負壓為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%。對上隅角進行埋管抽采,在回風順槽接φ400 mmPE 對上隅角進行帶抽,抽采負壓為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%。
頂板的高抽巷是防止工作面上隅角瓦斯聚集而設置的,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),因此對高抽巷的抽采參數(shù)進行模擬研究。模擬忽略采煤機等采煤設備,不考慮礦井周期來壓等情況,建立進風回風巷的長寬高分別為20 m、5 m、3 m,高抽巷的長寬高分別為10 m、3 m、3 m,工作面的尺寸分別為長290 m、寬9 m、高3 m。完成模型建立后,根據(jù)實際情況對模型的參數(shù)進行設置。對不同高抽巷層位下采空區(qū)瓦斯的濃度分布進行模擬,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)出回風側(cè)瓦斯?jié)舛容^大,而進風側(cè)瓦斯?jié)舛刃〉奶攸c。這是由于在采空區(qū)的進風側(cè)由于進風流的作用使得瓦斯?jié)舛鹊玫揭欢ǔ潭鹊南♂專猿尸F(xiàn)出瓦斯?jié)舛容^低的特點。在采空區(qū)的回風側(cè),由于通風阻力使得瓦斯聚集。同時在豎直方向上,采空區(qū)從上至下的瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)逐步減小的趨勢,這是由于采空區(qū)下部冒落帶的漏風量大,而頂板裂隙帶的漏風量較低,所以瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)上述趨勢,瓦斯?jié)舛让芏容^小,易浮于空氣的上方,也會造成這種情況。高抽巷層位的改變對瓦斯?jié)舛日w的影響較小,但對上隅角的瓦斯?jié)舛扔兄^大的影響,隨著高抽巷水平方向距離風巷的增加,高抽巷對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,當埋管深度為10 m 時,上隅角瓦斯?jié)舛葹?%;當埋管深度增大至30 m 時,上隅角瓦斯?jié)舛葴p小至0.75%;當埋管深度增大至50 m 時,此時的上隅角瓦斯?jié)舛仍龃笾?.56%;當埋管深度為70 m 時,上隅角瓦斯?jié)舛茸畲鬄?%。可以看出當采空區(qū)的埋管深度為30 ~40 m 時,采空區(qū)上隅角的瓦斯?jié)舛瓤梢杂行У目刂圃?%以下,同時埋管抽采效果較好,在一定程度上保障了工作面的安全,減小了能源的浪費[9-10]。
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,并對治理后的瓦斯抽采效果進行分析,為后續(xù)的研究提供依據(jù)。利用數(shù)值模擬對不同高抽巷層位下綜采面瓦斯分布情況進行分析,確定當距離煤層底板和回風順槽20 m 的位置為最佳布置層位。同時,利用數(shù)值模擬對不同埋管埋深下上隅角瓦斯分布情況進行分析,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,同時埋深30 ~40 m 時效果最佳。