塔山礦8208工作面采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律及治理技術(shù)研究

張建峰

(晉能控股煤業(yè)集團 安全管理五人小組，山西 大同 037003)

1 工程概況

塔山礦8208工作面開采3～5號煤層，煤層均厚為11.17 m，平均傾角為3°，煤層內(nèi)平均含有兩層夾矸，頂?shù)装鍘r層為巖漿巖和細砂巖。工作面采用全負壓通風(fēng)，布置三條巷道，分別為進風(fēng)巷、回風(fēng)巷和瓦斯抽放巷，工作面采用綜放開采方法，開采高度為3.5 m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，3～5號煤層原始瓦斯含量為1.6～1.97 m3/t，原始瓦斯壓力為0.14～0.17 MPa，百米鉆孔自燃瓦斯涌出量為0.015～0.021 2 m3/(min·hm-1)。為保障8208工作面回采期間上隅角不出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，特進行采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律和瓦斯治理技術(shù)的研究分析。

2 采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律

由于工作面回采后，采空區(qū)內(nèi)為隱蔽空間，采用理論或現(xiàn)場實測的方式較難分析瓦斯運移規(guī)律，故現(xiàn)采用Fluent數(shù)值模擬軟進行研究，為方便研究的進行，模擬過程中僅考慮進風(fēng)巷、回風(fēng)巷和采空區(qū)漏風(fēng)對采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律的影響[1-3]，模型長×寬×高=200 m×200 m×50 m，設(shè)置模型上部0～28.3 m為垮落帶，裂隙帶的高度為28.3～52 m，模型橫向上自燃堆積區(qū)的范圍設(shè)為0～40 m，上覆巖層的荷載影響區(qū)域范圍為40～100 m，覆巖的壓實穩(wěn)定區(qū)范圍設(shè)置為100～200 m。設(shè)置采空區(qū)傾向長度為240 m，工作面兩回采巷道的斷面尺寸為5 m×4 m，基于采空區(qū)內(nèi)瓦斯運移規(guī)律的難易程度進行采空區(qū)內(nèi)各區(qū)特征的設(shè)計，該次數(shù)值模型中共計劃分460 000個網(wǎng)格，具體U型通風(fēng)條件下采空區(qū)網(wǎng)格模型如圖1所示，模型中采空區(qū)參數(shù)設(shè)置表如表1所示。

圖1 U型通風(fēng)條件下采空區(qū)網(wǎng)格模型

表1 采空區(qū)各區(qū)域參數(shù)設(shè)置

模型建立后，通過對模型運算分析得出采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律如圖2所示。

分析圖2(a)可知，工作面進風(fēng)巷大部分沿著工作面流動，進風(fēng)巷內(nèi)的部分風(fēng)流沿著進風(fēng)側(cè)漏入采空區(qū)內(nèi)，隨著裹攜采空區(qū)內(nèi)部分瓦斯涌向工作面回風(fēng)側(cè)，致使大量瓦斯積聚在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)，呈現(xiàn)出采空區(qū)淺部區(qū)域回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛让黠@高于進風(fēng)側(cè)。另外從圖中能夠看出，在工作面上隅角處出現(xiàn)明顯的瓦斯積聚和超限現(xiàn)象。

圖2 采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律分布

圖2(b)和圖2(c)分別為采空區(qū)上方垮落帶和裂隙帶內(nèi)瓦斯分布云圖，從圖中能夠看出，工作面上方2 m的高度處，采空區(qū)瓦斯從回風(fēng)側(cè)涌出工作面，在工作面主風(fēng)流的作用下進入到回風(fēng)巷內(nèi)，另外，采空區(qū)淺部回風(fēng)側(cè)和上隅角區(qū)域存在明顯的瓦斯積聚現(xiàn)象，導(dǎo)致上隅角瓦斯超限的主要原因有：采空區(qū)自燃堆積區(qū)垮落巖石孔隙率大，漏風(fēng)風(fēng)流進入采空區(qū)后，會裹挾采空區(qū)部分瓦斯從回風(fēng)側(cè)涌出工作面與瓦斯風(fēng)流匯合；另一方面上隅角處于工作面主風(fēng)流的拐角處，該區(qū)域的高濃度瓦斯難以被風(fēng)流吹散。裂隙帶內(nèi)的瓦斯手操采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流的影響相對較小，由于采空區(qū)漏風(fēng)流主要在垮落帶內(nèi)運動，瓦斯密度較小在浮力作用下會向采空區(qū)上部運動，瓦斯運動會穩(wěn)定在裂隙帶內(nèi)，進而造成裂隙帶瓦斯?jié)舛认鄬^高。

分析圖2(d)可知，在工作面水平方向上，瓦斯?jié)舛入S著采空區(qū)深度的增大而增大，在豎直方向上，采空區(qū)裂隙帶的瓦斯?jié)舛冗h小于垮落帶，采空區(qū)裂隙帶靠近回風(fēng)側(cè)區(qū)域為瓦斯富集區(qū)域，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)約1/4的為瓦斯涌出的主要區(qū)域。

綜合上述分析可知，在采空區(qū)水平方向上，從工作面進風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)陡增趨勢，沿工作面走向隨著采空區(qū)深度的增大瓦斯?jié)舛戎饾u增大，沿采空區(qū)數(shù)值方向上，隨著豎向高度增大，瓦斯?jié)舛戎饾u增大。在進行采空區(qū)瓦斯治理時，工作面回風(fēng)側(cè)1/4的區(qū)域為重點治理區(qū)域。

3 采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)

3.1 瓦斯治理方案

根據(jù)8208工作面采空區(qū)特征及瓦斯運移規(guī)律分析結(jié)果，確定采空區(qū)瓦斯治理采用大直徑定向長鉆孔+上隅角埋管聯(lián)合抽采的方式進行，具體抽采方案如下。

3.1.1 大直徑定向長鉆孔抽采

1) 鉆孔布置層位確定：在進行采空區(qū)抽采時，鉆孔布置參數(shù)主要包括距離煤層底板的垂直高度及其與回風(fēng)巷的內(nèi)錯距離，根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果可知[4-5]，若要保障長鉆孔的抽采效果，應(yīng)當(dāng)將鉆孔布置在裂隙帶內(nèi)，鉆孔布置高度應(yīng)滿足公式(1)：

Hm≤H≤Hd

(1)

式中：Hm、H和Hd分別垮落帶、鉆孔布置、裂隙發(fā)育高度，m；工作面采空區(qū)的瓦斯積聚在“O”型圈內(nèi)，采空區(qū)抽采鉆孔內(nèi)錯回風(fēng)巷的距離S應(yīng)滿足公式(2)[6]：

(2)

式中：α為煤層傾角，取0°；β為巖層垮落角，取55°；X為工作面傾向長度，取240 m?；诠?1)和公式(2)的計算結(jié)果，確定出大直徑長鉆孔瓦斯抽采布置在距煤層底板垂高28.3～52 m處，鉆孔應(yīng)內(nèi)錯回風(fēng)巷水平距離19.6～80 m?；诠ぷ髅娴牡刭|(zhì)條件，確定鉆孔布置在距煤層底板36 m的層位。

2) 抽采負壓：采用Fluent數(shù)值模擬軟件進行抽采負壓分別為10 kPa、15 kPa、20 kPa和25 kPa下瓦斯抽采量的分析，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 抽采負壓與抽采純量關(guān)系曲線

當(dāng)長鉆孔抽采負壓分別為15 kPa、20 kPa和25 kPa時，此時工作面上隅角的瓦斯?jié)舛确謩e為0.62%、0.42%和0.43%，均未達到規(guī)定超限標(biāo)準(zhǔn)，考慮到采空區(qū)防火管理及施工成本問題，綜合確定大直徑長鉆孔抽采負壓為15 kPa。

3) 鉆孔施工參數(shù)：鉆孔布置在8208回風(fēng)繞道內(nèi)，大直徑長鉆孔共計布置6個鉆孔，大直徑鉆孔布置參數(shù)如表2所示，具體鉆孔布置形式如圖4所示。

表2 鉆孔布置參數(shù)

3.1.2 上隅角埋管抽采

工作面回采后，在切頂線位置筑墻，筑墻材料采用粉煤灰，在墻體上埋設(shè)5趟抽采管路，抽采管路為D108 mm的鋼絲纏繞管，埋管抽采布置形式如圖4所示。

圖4 8208工作面采空區(qū)瓦斯抽采布置平面

3.2 效果分析

3.2.1 大直徑抽采效果分析

在大直徑抽采鉆孔進入采空區(qū)后，即可開始大直徑鉆孔的抽采作業(yè)，大直徑鉆孔抽采期間對鉆孔的抽采濃度、混量數(shù)據(jù)進行監(jiān)測分析，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果能夠得出大直徑抽采支管的瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞壳€如圖5所示。

圖5 大直徑抽采支管瓦斯?jié)舛群屯咚?/p>

分析圖5可知，大直徑鉆孔抽采期間，抽采支管內(nèi)的瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在14%～22%的范圍內(nèi)，平均瓦斯抽采濃度為18%；抽采支管內(nèi)的瓦斯純量呈現(xiàn)出先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定的趨勢，其中瓦斯抽采純量最大值和最小值分別為21.8 m3/min和11.5 m3/min，最終瓦斯抽采純量穩(wěn)定在17.1 m3/min左右。基于上述分析可知，大直徑鉆孔抽采瓦斯?jié)舛群图兞烤^高，抽采效果顯著。

3.2.2 綜合治理效果分析

8208工作面回采期間，分別在采空區(qū)瓦斯抽采方案實施前后分別進行上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測分析，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果得出上隅角瓦斯?jié)舛惹€如圖6所示。

圖6 上隅角瓦斯?jié)舛惹€

分析圖6可知，未采取抽采措施時，回采期間上隅角的平均瓦斯?jié)舛冗_到0.6%，瓦斯長期處于超限狀態(tài)；采空區(qū)抽采方案實施后，回采期間上隅角瓦斯?jié)舛绕骄捣€(wěn)定在0.4%左右，回采期間無瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn)，這進一步表明大直徑瓦斯抽采和上隅角瓦斯抽采效果顯著。

4 結(jié) 語

根據(jù)8208工作面地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬得出采空區(qū)在水平和豎直方向上的瓦斯運移規(guī)律，工作面回風(fēng)側(cè)約1/4區(qū)域是采空區(qū)瓦斯治理的重點區(qū)域；基于采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律分析結(jié)果，設(shè)計采空區(qū)瓦斯治理方案為大直徑長鉆孔+上隅角埋管抽采；根據(jù)抽采方案實施期間的效果分析可知，大直徑抽采效果顯著，回采期間上隅角瓦斯在合理范圍內(nèi)，為工作面的安全回采提供了保障。