堅硬頂板綜放工作面回采期間瓦斯治理措施優(yōu)化

馮曉劍

（霍州煤電集團河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 運城 043300）

引言

煤炭資源作為我國最為重要的基礎(chǔ)能源，其在我國國民生產(chǎn)中占據(jù)著及其重要的位置。據(jù)統(tǒng)計在我國開采過程中，約6 成以上的礦井面臨著瓦斯危險，所以對瓦斯事故進行治理對于礦井開采是十分重要[1-2]。隨著我國開采深度的不算增加，煤層瓦斯壓力逐步增大，工作面上隅角瓦斯超限的問題逐步凸顯。在進行厚煤層、堅硬頂板巷道進行開采時，工作面上隅角的瓦斯超限問題尤為明顯，所以對堅硬頂板巷道進行瓦斯治理是十分重要的，此前眾多學(xué)者對堅硬頂板瓦斯治理技術(shù)進行過一定的研究[3]，本文以河津杜家溝礦2-105 工作面為研究背景，對工作面瓦斯運移規(guī)律進行研究，并給出瓦斯治理技術(shù)，為高瓦斯礦井安全開采提供一定的保障。

1 礦井概況

杜家溝礦位于山西河津市清澗鎮(zhèn)西北3 km，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力60 萬t/a，2-105 工作面主要開采2#、10#煤層，開采深度標(biāo)高為+840 m～+600 m，井田呈不規(guī)則多邊形，南北長4.6 km，東西寬4.5 km，面積9.89 km2。

2 礦井瓦斯研究

巷道頂板主要為泥巖、粗砂巖、炭質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖等，通過力學(xué)實驗對工作面頂板的力學(xué)屬性進行試驗，發(fā)現(xiàn)工作面頂板抗拉強度為2.6 MPa，單軸抗壓強度為33.5 MPa，2-105 工作面頂板為堅硬頂板。工作面設(shè)計通風(fēng)量為930 m3/min，后期由于通風(fēng)效果不佳，將通風(fēng)量增大至1 200 m3/min。由于2-105工作面頂板屬于堅硬頂板，使得采空區(qū)形成空腔，造成采空區(qū)瓦斯超限，雖臨時增加抽采設(shè)備，但效果不佳。對礦井工作面的瓦斯涌出規(guī)律進行分析研究，在回風(fēng)巷內(nèi)部布置21 個瓦斯檢測點，每個監(jiān)測點距離設(shè)定為20 m，對回風(fēng)巷瓦斯進行研究，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确植紙D，如圖1 所示。

圖1 回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确植紙D

從圖1 可以看出，工作面回風(fēng)巷瓦斯含量最大值為3.32 m3/t，瓦斯最低含量為1.84 m3/t，回風(fēng)巷的平均瓦斯含量為2.35 m3/t，工作面瓦斯解吸量最大值為2.05 m3/t，瓦斯解吸量最小值為0.5 m3/t，回風(fēng)巷的平均瓦斯解吸量為0.97 m3/t。

為了對工作面瓦斯進行有效治理，首先利用數(shù)值模擬軟件對采空區(qū)瓦斯運移特性進行研究，，選定數(shù)值模擬軟件Fluent，首先進行數(shù)值模擬模型建立，將采空區(qū)視為多孔介質(zhì)，介質(zhì)內(nèi)部滿足動量、質(zhì)量及能量的守恒，根據(jù)河津杜家溝礦2-105 工作面的實際情況設(shè)計采空區(qū)沿走向的長度的200 m，進風(fēng)巷的寬度、高度分別為5 m×3 m，回風(fēng)巷寬度、高度分別為4 m×3 m，設(shè)定空氣中瓦斯含量為0.71 kg/m3，Y 型通風(fēng)下采空區(qū)瓦斯模擬結(jié)果，如第186 頁圖2所示。

圖2 Y 型通風(fēng)下采空區(qū)瓦斯模擬云圖

從圖2 可以看出，在采空區(qū)的回風(fēng)側(cè)深部出現(xiàn)瓦斯集中，同時隨著工作面與采空區(qū)距離的增加，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出逐步增大的趨勢，但增大的趨勢不是一直增加的，當(dāng)采空區(qū)與工作面的距離增大至一定范圍時，此時的瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定，不會發(fā)生大的變化。在回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛绕毡榇笥谶M風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛龋@是由于距離回風(fēng)巷的位置越近，回風(fēng)巷的瓦斯涌出現(xiàn)象越明顯，所以瓦斯?jié)舛仍骄迷酱蟆８鶕?jù)分析可知在采空區(qū)瓦斯超限主要集中于頂部位置，所以在進行瓦斯治理時需要更加重視采空區(qū)頂部瓦斯治理。

3 瓦斯治理研究

對河津杜家溝礦瓦斯進行治理，選定高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)，在工作面回風(fēng)側(cè)的位置布置一排鉆孔，鉆孔的走向為沿著煤層走向，利用鉆孔對采空區(qū)裂隙帶和冒落帶瓦斯進行抽采，高位抽采不僅可以將采空區(qū)的瓦斯進行抽排，同時也可以切斷與上層采空區(qū)瓦斯的聯(lián)系。通過將采空區(qū)瓦斯進行抽排，可以有效解決采空區(qū)瓦斯的涌出，提升工作面安全性[4]。

在進行瓦斯治理時，首先需要對采空區(qū)覆巖的三帶進行確定，在垂直方向上三帶分布由上至下可以分為冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，冒落帶是由于隨著工作面的推進直接頂在自重作用下出現(xiàn)彎曲，當(dāng)自重大于其承載極限時，巖石發(fā)生斷裂。冒落帶按照冒落形式可分為不規(guī)則和規(guī)則冒落兩種。隨著工作面的不斷推進，使得冒落巖塊大量堆積，采空區(qū)被壓密，此時瓦斯在從采空區(qū)的運移難度增加。裂隙帶是位移冒落帶以下，由于冒落使得巖層出現(xiàn)離層，此時巖層由于離層出現(xiàn)裂隙，裂隙一般分為水平裂隙和垂直裂隙，裂隙帶的存在使得巖層內(nèi)部瓦斯運移難度減小。彎曲下沉帶時在裂隙帶下部由于巖層處于彈性變形和塑性變形之間，在自身重力作用下巖層沿著層面出現(xiàn)彎曲，由于巖層彎曲，此時巖層的密實度增大，瓦斯的運移及擴散遭受到一定的阻隔，但考慮到彎曲下沉帶垂直方向一般不發(fā)育，所以在考慮瓦斯抽采時不做考慮[5-6]。經(jīng)過計算可知河津杜家溝礦的冒落帶高度均值為16.2 m，裂隙帶高度均值為53.2 m。

進行高位鉆孔布置，由低至高布置一段傾斜鉆孔，最終的鉆孔布置至裂隙帶。由于隨著開采的推進，使得冒落帶也逐步推進，受到鉆孔布置參數(shù)的影響，使得在高位段瓦斯抽采效果有所降低，所以為了保證抽采的效果，在鉆孔布置采用壓茬的方式，根據(jù)計算得出壓茬的長度設(shè)定為37 m～45 m，所以最終選定壓茬長度為41 m。鉆孔鉆高設(shè)定為12 m，鉆場的布置為沿著回風(fēng)巷方向，每個鉆場設(shè)置10 個鉆孔，鉆孔呈現(xiàn)扇形布置，分為上下各5 個，在上端鉆孔的間距選定為0.4 m，在底端布設(shè)的鉆孔孔徑為6 m，鉆孔均采用水泥砂漿進行封堵[7-8]。完成現(xiàn)場施工后對瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴尚孰S工作面推進的變化曲線進行分析，如圖3 所示。

圖3 瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴尚孰S工作面推進的變化曲線

如圖3 所示可以看出，隨著工作面的推進工作面瓦斯?jié)舛却笾鲁尸F(xiàn)出逐步降低的趨勢，在工作面推進距離為345 m 時，此時的瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.6%，當(dāng)工作面推進至405 m 時，此時的瓦斯?jié)舛茸钚?.1%。同樣的觀察瓦斯抽采率隨工作面推進變化曲線可以看出，當(dāng)工作面推進345 m 時，此時的瓦斯抽采率最大為52%，當(dāng)工作面推進至394 m 位置時瓦斯抽采率最低僅為18%。從以上分析可以看出，鉆孔抽采治理瓦斯方案的可行性[9-10]。

4 結(jié)論

1）通過對原巷道工作面回風(fēng)巷瓦斯含量進行分析發(fā)現(xiàn)，回風(fēng)巷的平均瓦斯含量為2.35 m3/t，回風(fēng)巷的平均瓦斯解吸量為0.97 m3/t。

2）利用數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在采空區(qū)的回風(fēng)側(cè)深部出現(xiàn)瓦斯集中，同時隨著工作面與采空區(qū)距離的增加，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出先增大后平穩(wěn)的趨勢。

3）通過計算給出了河津杜家溝礦的冒落帶高度均值為16.2 m，裂隙帶高度均值為53.2 m。利用高位鉆孔對巷道瓦斯進行治理，通過現(xiàn)場實踐驗證了治理方案的可行性，為礦井安全開采提出建議。