玉溪煤礦1302工作面瓦斯運移規(guī)律及抽采技術研究

任美晶

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦1302工作面位于3號煤層一盤區(qū)，工作面平均埋深為560 m，開采山西下部的3號煤層，煤層均厚5.85 m，煤層內(nèi)部含有一層夾矸，夾矸平均厚度0.28 m，煤層頂板巖層為泥巖和中粒砂巖，底板巖層為泥巖和砂質(zhì)泥巖；工作面采用大采高一次采全高采煤工藝進行回采作業(yè)，全部垮落法管理頂板。根據(jù)礦井地質(zhì)資料知，3號煤層平均瓦斯含量13.56 m3/t，瓦斯壓力為1.62 MPa，屬于低滲透性可抽采煤層，現(xiàn)為保障回采作業(yè)能夠順利進行，特進行工作面瓦斯運移規(guī)律和抽采技術的研究。

2 裂隙帶瓦斯運移規(guī)律分析

為分析1302工作面回采期間采場裂隙帶的瓦斯流動規(guī)律，現(xiàn)采用COM SOL數(shù)值模擬軟件進行模擬分析，基于偏微分方程組（PDEs）進行多物理場耦合方程的分析，結(jié)合礦井地質(zhì)資料及相關試驗數(shù)據(jù)，建立長×高=180 m×124 m的數(shù)值模型進行工作面回采完畢后不同時間下瓦斯賦存情況的分析，設置工作面裂隙帶高度為90 m，垮落寬度為130 m，在模型頂部施加上覆巖層載荷，固定模型兩側(cè)及底板的位移，按照3號煤層瓦斯賦存情況進行流體參數(shù)的設置，具體數(shù)值模擬模型及計算邊界如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬模型及計算邊界示意圖

為掌握裂隙帶內(nèi)的瓦斯運移規(guī)律，數(shù)值模擬時模擬工作面回采完畢不同時刻的瓦斯運移規(guī)律，結(jié)合相關研究結(jié)論[1-2]，設置模擬分析工作面回采完畢初始時刻、回采完畢5 h、回采完畢1 d、回采完畢5 d時裂隙帶內(nèi)瓦斯賦存情況，基于模擬結(jié)果得出如圖2所示瓦斯賦存云圖。

圖2 工作面回采完畢后不同時間瓦斯賦存云圖

分析圖2可知，工作面采動影響下，上覆巖層逐漸垮落，采動引起的煤層裂隙逐漸發(fā)育與擴展，致使煤體內(nèi)的瓦斯從煤體中解吸出后向采空區(qū)內(nèi)涌入，出現(xiàn)工作面回采完畢初始階段采空內(nèi)的瓦斯壓力呈現(xiàn)出逐漸上升的現(xiàn)象，且在覆巖裂隙發(fā)育的區(qū)域內(nèi)瓦斯積聚現(xiàn)象較為顯著；隨著時間的推移，在工作面回采完畢5 h后，瓦斯氣體在壓力的驅(qū)動下沿著覆巖裂隙通道逐漸向上部移動，運移到頂板約50 m的位置處，在采場的中部覆巖裂隙的最大發(fā)育高度為58 m，采場中部的裂隙發(fā)育密度也遠低于兩端，在工作面回采完畢5 h后，采場中的瓦斯氣體壓力便逐漸區(qū)域穩(wěn)定；在工作面回采完畢1 d后，瓦斯沿著采場兩端逐漸向采場上方和水平方向的裂隙內(nèi)移動，此時瓦斯氣體已經(jīng)到達采場裂隙帶的頂部；在工作面回采完畢后5 d時，采場內(nèi)瓦斯運移的高度和橫向運移的距離基本不再發(fā)生變化，采場內(nèi)最高的瓦斯氣體壓力為0.45 MPa，且此時隨著時間的推移，覆巖裂隙網(wǎng)絡中的瓦斯壓力基本不再出現(xiàn)變化。

基于上述分析結(jié)果，為確保模擬結(jié)果的可靠性，進一步進行工作面回采完畢10 d后的采場裂隙帶瓦斯賦存云圖的分析，結(jié)合上述分析，將工作面上覆巖層的裂隙網(wǎng)絡主要劃分為2個區(qū)域：①裂隙發(fā)達區(qū)域：主要為頂板上方20～40 m的范圍內(nèi)，瓦斯壓力為0.45～0.55 MPa；②裂隙發(fā)育區(qū)域：主要為頂板上方40～76 m的范圍內(nèi)，瓦斯壓力為0.2～0.4 MPa，具體采場覆巖瓦斯賦存劃分圖如圖3所示。

圖3 工作面回采完畢10 d后裂隙帶瓦斯賦存云圖

基于上述分析可知，在進行頂板裂隙帶瓦斯抽采作業(yè)時，抽采鉆孔布置的合理位置為裂隙發(fā)達區(qū)，即將抽采鉆孔的終孔位置布置在頂板20～40 m的位置處可達到較好的抽采效果。

3 瓦斯抽采技術

3.1 抽采方案設計

根據(jù)3號煤層屬于低滲透性煤層的特征，確定工作面采用順層鉆孔瓦斯抽采+裂隙帶瓦斯抽采+地面水平分支井抽采相結(jié)合的抽采方案，具體各項抽采方案的技術參數(shù)如下：

1）順層鉆孔瓦斯抽采：在工作面回采前，采用千米鉆機進行順層鉆孔的施工，鉆孔以鉆場為單位進行布置，鉆場內(nèi)的鉆孔呈扇形布置，每個鉆場鉆孔數(shù)量為12個，抽采鉆孔直徑為96 mm，設計深度為450 m，終孔間距10 m，此時抽采主要針對工作面大面積區(qū)域進行預抽；當千米鉆機施工的順層鉆孔抽采完畢后，在工作面回采前繼續(xù)采用普通鉆機布置對打鉆孔進行本煤層強化預抽，鉆孔直徑94 mm，長度為100 m，間距4 m，采用“兩堵一注”囊袋式封孔，封孔深度8 m，具體順層鉆孔布置方式見圖4所示。

圖4 工作面順層抽采鉆孔布置形式示意圖

2）裂隙帶瓦斯抽采：基于上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，裂隙帶抽采鉆孔的合理終孔位置為頂板20～40 m的范圍，結(jié)合工作面特征及裂隙鉆孔抽采的相關實踐經(jīng)驗[3-5]，設置裂隙帶抽采鉆孔布置于回風巷中，鉆場長×寬×高=6 m×4 m×3.6 m，鉆孔間距為50 m，鉆場內(nèi)的鉆孔呈扇形布置，每個鉆場內(nèi)布置2排鉆孔，每排布置6個鉆孔，鉆孔直徑為終孔高度為40 m，鉆孔間終孔間距為20 m，鉆孔深度在72～134 m的范圍內(nèi)，具體裂隙帶鉆孔設計參數(shù)見表1，鉆孔布置方式剖面圖如圖5所示。

表1 鉆場內(nèi)鉆孔設計參數(shù)表

圖5 裂隙帶抽采鉆孔布置方式剖面圖

3）地面水平分支井抽采：在1302工作面對應的地面位置處，布置2口分支水平井，編號分別為LA-02H-1和LA-02H-2，基于工作面的特征，確定布置5條分支井鉆孔，分支井鉆孔水平方向與回風巷間每20 m布置1個，從距離回風巷30 m的位置開始布置，在垂直方向上其終孔分別位于煤層頂板上方35、38、47、50、53 m的位置處，水平鉆孔內(nèi)下放N80的石油管線[6-7]，并將主孔連接至地面具體水平分支井抽采鉆孔布置形式如圖6所示。

圖6 水平分支井布置形式示意圖

3.2 效果分析

在1302工作面采用上述瓦斯抽采措施后，通過在每項抽采措施實施時的監(jiān)測分析，能夠得出每項抽采措施的抽采效果，具體見表2。

表2 各項瓦斯抽采措施抽采效果數(shù)據(jù)表

分析表2可知，工作面內(nèi)各項瓦斯抽采措施中抽采純量由高到低的排序為順層鉆孔、裂隙帶鉆孔和水平分支井，通過上述瓦斯抽采措施，在保障工作面高強度回采的條件下，有效的降低了風排瓦斯的壓力，工作面的整體瓦斯抽采率為47%，抽采效果顯著。

4 結(jié)論

根據(jù)1302工作面及煤層賦存情況，采用數(shù)值模擬的方式進行了裂隙帶瓦斯運移規(guī)律的分析，確定裂隙帶抽采鉆孔終孔位置布置在頂板20～40 m的位置處，結(jié)合工作面特征確定采用順層鉆孔抽采+裂隙帶瓦斯抽采+地面水平分支井抽采相結(jié)合的瓦斯抽采措施，根據(jù)瓦斯抽采措施實施時后的分析知，抽采效果顯著，為工作面的安全回采提供了保障。