采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律與治理技術(shù)研究

蔣 磊

(晉能控股集團 投資計劃部，山西 大同 037000)

1 工程概況

同煤集團煤峪口礦81004工作面位于410盤區(qū)，北部為81002工作面采空區(qū)，東部為井田邊界保護煤柱，西部為410盤區(qū)大巷。工作面上覆為11-12號煤合并層采空區(qū)，與81004工作面間的間距為0.8～12.5 m，工作面切眼長度140.3 m，可采長度為885 m，開采14-2號煤層，平均厚度2.97 m，平均傾角2°。頂板巖層為細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖，底板巖層為細(xì)砂巖和泥巖。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，14-2號煤層與其上鄰11-12號煤層屬近距離煤層，其上部煤層已回采完畢，采空區(qū)內(nèi)積存著大量瓦斯，瓦斯總量約為207 925 m3，81004工作面回采期間上覆采空區(qū)的瓦斯會涌向工作面區(qū)域，為有效治理工作面回采期間涌出的瓦斯，進行采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)研究。

2 采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律

2.1 建立數(shù)值模型

為有效分析81004工作面回采期間采空區(qū)的瓦斯運移規(guī)律，基于工作面的地質(zhì)條件，采用Fluent數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模擬模型，模型中設(shè)置工作面開切眼和回采巷道，其中設(shè)置進風(fēng)巷和回風(fēng)巷的長×寬×高=120 m×4 m×3 m，工作面的長度設(shè)置為140 m。為方便研究作業(yè)的進行，模型中僅考慮采空區(qū)漏風(fēng)、瓦斯抽采系統(tǒng)及回風(fēng)巷對采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布規(guī)律的影響[1-2]，假設(shè)14-2號煤層工作面回采巷道及采空區(qū)在傾斜方向內(nèi)錯11-12號合并層采空區(qū)兩側(cè)各4 m。根據(jù)垮落帶高度的計算公式為：

(1)

式中：h為煤層厚度，m；Kp為垮落到采空區(qū)巖層的碎脹系數(shù)；△為回采不徹底遺煤引起的充填厚度；c為總采出率；km為垮落頂煤碎脹系數(shù)。

基于上述數(shù)據(jù)能夠計算得出11-12號合并層和14-2號煤層開采后垮落帶的高度分別為31.98 m和49.2 m，進一步結(jié)合采空區(qū)覆巖運動規(guī)律的相似模擬結(jié)果，確定采空區(qū)上覆巖層各帶的分布形式見表1，具體數(shù)值模型結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 復(fù)合采空區(qū)沿走向數(shù)值模型結(jié)構(gòu)示意

表1 81004工作面采空區(qū)模型參數(shù)

本次數(shù)值模擬主要分析采空區(qū)在不同風(fēng)量和不同瓦斯抽采量情況下采空區(qū)瓦斯的運移規(guī)律。

2.2 采空區(qū)不同風(fēng)量情況下的瓦斯分布

為防止工作面回采期間上隅角瓦斯發(fā)生超限事故，需要找到適合工作面的配風(fēng)量，結(jié)合礦井工程實踐和眾多研究結(jié)論[3-5]，根據(jù)鄰近工作面在配風(fēng)量為600 m3/min時上隅角瓦斯易超限，故進行工作面在配風(fēng)量為700 m3/min和800 m3/min時，分析采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出，不同風(fēng)量下采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律分布云圖(見圖2)。

圖2 工作面不同配風(fēng)量下采空區(qū)瓦斯分布云圖

分析圖2(a)可知，在工作面配風(fēng)量為700 m3/min時，隨著向采空區(qū)漏風(fēng)強度的逐漸增大，在工作面沿傾向、走向和豎直方向上，工作面瓦斯?jié)舛容^低區(qū)域的范圍逐漸擴大?；跀?shù)值模擬結(jié)果可知，工作面在該配風(fēng)量情況下，上隅角的瓦斯?jié)舛热源嬖诔蕃F(xiàn)象，上隅角的瓦斯?jié)舛仍?.9%以上，即工作面在不采用抽采方案時，上隅角瓦斯超限在該配風(fēng)量時未得到解決。

分析圖2(b)可知，在工作面配風(fēng)量為800 m3/min時，采空區(qū)漏風(fēng)強度進一步增大，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M一步降低，但上隅角瓦斯?jié)舛热蕴幱诔逘顟B(tài)，在3.33%～3.75%的范圍內(nèi)，與配風(fēng)量為700 m3/min時上隅角瓦斯?jié)舛认啾?，出現(xiàn)了增大現(xiàn)象，主要原因為配風(fēng)量增大，采空區(qū)漏風(fēng)強度增大，進而導(dǎo)致采空區(qū)進風(fēng)側(cè)的瓦斯在風(fēng)流作用下被吹到采空區(qū)回風(fēng)側(cè)，進而造成上隅角瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)超限現(xiàn)象。

綜合上述分析可知，工作面在配風(fēng)量由700 m3/min增大為800 m3/min時工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)增大的現(xiàn)象，結(jié)合采空區(qū)瓦斯分布云圖，綜合確定工作面配風(fēng)量選用700 m3/min。

2.3 采空區(qū)不同抽采量下的瓦斯分布

設(shè)置工作面配風(fēng)量為700 m3/min時，采用抽采的方式解決工作面上隅角瓦斯易超限的問題，上隅角布置巷道超前導(dǎo)流鉆孔(即在回風(fēng)巷距離工作面一定距離頂板實施垂直于頂板的穿層鉆孔，針對11-12號煤層的采空區(qū)瓦斯進行瓦斯抽采)，鉆孔布置在回風(fēng)巷上隅角的區(qū)域，一端埋入采空區(qū)，一端接入抽采系統(tǒng)，分別模擬抽采量為40 m3/min、60 m3/min和90 m3/min下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?，根?jù)模擬結(jié)果，得出不同抽采方案下工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律(見圖3)。

圖3 不同瓦斯抽采量下瓦斯分布云圖

分析圖3可知，在抽采量為40 m3/min時，工作面回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛认陆?.08%，上隅角瓦斯?jié)舛冉档?.6%，但仍處于超限狀態(tài)；在抽采量為60 m3/min時，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗M一步減小，上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u降低，最大值為1.12%，仍處于瓦斯預(yù)警狀態(tài)；當(dāng)抽采量進一步增大為90 m3/min時，此時上隅角瓦斯?jié)舛却蠓档?，瓦斯?jié)舛仍?.2%～0.6%的范圍內(nèi)，有效解決了工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}。

3 瓦斯治理技術(shù)與效果

3.1 瓦斯治理技術(shù)

根據(jù)81004工作面的地質(zhì)及賦存條件，結(jié)合上述數(shù)值模擬結(jié)果，確定工作面配風(fēng)量為700 m3/min，采用巷道超前導(dǎo)流鉆孔進行采空區(qū)抽采作業(yè)，抽采方式采用邊采邊抽[6]，即在工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置鉆場，向上覆11-12號煤層打設(shè)穿層鉆孔，通過井下抽采泵站進行采空區(qū)瓦斯抽采作業(yè)，具體抽采方案布置方式如圖4所示。

圖4 巷道超前鉆孔導(dǎo)流抽采布置示意

超前導(dǎo)流抽采鉆孔在回風(fēng)巷內(nèi)布置，從距切眼70 m的位置處開始布置，每間隔100 m布置一組，具體鉆孔參數(shù)見表2，抽采鉆孔封孔采用封固劑，設(shè)置封孔長度為3 m，封孔管安裝控制閥門和三通卸壓閥。

表2 巷道超前鉆孔導(dǎo)流抽采參數(shù)

3.2 效果分析

在81004工作面回采期間，通過對鉆孔抽采數(shù)據(jù)的監(jiān)測分析，得出巷道超前導(dǎo)流鉆孔抽采濃度和抽采純量的變化曲線，如圖5所示。

圖5 超前導(dǎo)流鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量曲線

分析圖5可知，工作面采空區(qū)采用巷道超前導(dǎo)流鉆孔瓦斯抽采方案時，瓦斯抽采濃度平均為3%，抽采純量為1.9 m3/min。在抽采方案實施后，工作面瓦斯絕對量為3.1 m3/min，抽出率達(dá)到61%.

另外，根據(jù)工作面回采期間的上隅角和回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測分析可知，工作面采用巷道超前導(dǎo)流抽采方案后，回采期間上隅角瓦斯?jié)舛仍?.01%～0.34%的范圍內(nèi)，無瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn)，保障了工作面的安全高效開采。

4 結(jié) 語

根據(jù)81004工作面與上覆11-12號煤層合并層采空區(qū)的空間關(guān)系，通過數(shù)值模擬軟件進行不同配風(fēng)量和不同抽采量下采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律的分析，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和地質(zhì)條件，設(shè)計工作面采用巷道超前導(dǎo)流鉆孔的方式進行采空區(qū)瓦斯治理，根據(jù)抽采方案實施后的效果分析可知，工作面回采期間上隅角無瓦斯超限現(xiàn)象，保障了工作面的安全開采。