大采高工作面采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用

王超遠 楊振寧

（1.神東煤炭集團公司寸草塔二礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209；2.陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045100）

1 工程概況

陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司（上社煤礦）位于盂縣南婁鎮(zhèn)北上社村南，開采15#煤層位于太原組（C3t）底部，為主要可采煤層，煤層厚4.3～5.9 m，平均厚度5.0 m。回采工作面最大瓦斯涌出量為40.13 m3/min。15#煤層回采工作面采用條帶式布置，15115 回采工作面是其第七個工作面。本工作面采用傾向長壁后退式綜合機械化采煤法，其北部為15117 工作面（未采掘），南側(cè)為已回采的15113工作面，東為回風(fēng)大巷，西側(cè)為井田邊界。工作面井下標(biāo)高+744～810 m。15115 綜采工作面采用本煤層、采空區(qū)瓦斯抽采進行瓦斯治理。往期工作面回采期間，上隅角瓦斯常出現(xiàn)超限情況，影響礦井的安全高效生產(chǎn)。鑒于此，以15115工作面為工程背景，對采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)進行優(yōu)化研究。

2 覆巖垮落規(guī)律相似模擬研究

以15115 工作面及上覆巖層為工程背景建立相似物理模型，模擬分析工作面回采期間沿工作面推進方向上覆巖層的裂隙演化分布規(guī)律，為采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)的設(shè)計優(yōu)化提供指導(dǎo)。采用錢鳴高院士的關(guān)鍵層理論對工作面上覆巖層進行判別，得到模型柱狀圖原型如圖2。模型幾何相似比1:100，應(yīng)力相似比1:150，上覆巖層模擬總厚度為102 m，剩余巖層不再模擬。經(jīng)計算將上覆巖層等效為0.04 MPa的垂直應(yīng)力。模型主要材料為河沙、石膏、水、云母粉，模型底部為固定約束，兩側(cè)其前后邊界設(shè)置單向位移約束。模型初次開挖位置距模型邊界30 cm，共開挖140 cm，模擬工作面回采140 m。

圖1 15115 工作面布置平面圖

圖2 巖層柱狀圖及模擬結(jié)果

工作面推進140 m 后，上覆巖層運移垮落規(guī)律如圖2（b）。巖體宏觀裂隙開度大于3 mm 即為發(fā)育裂隙[1]，物理模型相似比1:100，則模型上可見裂隙均為發(fā)育裂隙。頂板巖層一定高度范圍內(nèi)橫向、豎向裂隙交叉貫通，巖層被分割成各種形狀的塊體，塊體間裂隙縫隙較大，該部分巖層可判斷為冒落帶。橫向裂隙與豎向裂隙的形成是相互影響的，巖層離層后產(chǎn)生橫向貫通大裂隙，但豎向裂隙未貫通發(fā)育，巖層未碎裂成塊，該部分巖層可判定為裂隙帶。根據(jù)以上原則可得，15115 工作面采空區(qū)冒落帶發(fā)育高度17.5 m，裂隙帶高度范圍為17.5～58.5 m。

隨著工作面的回采，采空區(qū)中間部分的冒落巖石將重新壓實擠密，中部形成壓實區(qū)，采空區(qū)四周一定寬度的裂隙區(qū)形成“O”形圈[2]。該區(qū)域巖層離層產(chǎn)生大量貫通裂隙，采空區(qū)煤巖體解吸出的瓦斯賦存于該區(qū)域，形成瓦斯富集“O”形區(qū)域。以工作面推進74 m 和115 m 為例，水平方向裂隙區(qū)、壓實區(qū)分布情況如圖3（a），切眼方向采空區(qū)邊界處裂隙區(qū)寬度為27 m，緊鄰工作面后方裂隙區(qū)寬度分別為19 m、21 m。由此可知，工作面后方0～20 m 為裂隙發(fā)育區(qū)。結(jié)合15115 工作面采掘工程平面圖及“O”形圈理論，可知采空區(qū)瓦斯運移情況如圖3（b）。采空區(qū)上部裂隙帶形成高位高濃度瓦斯流動圈，該部分瓦斯主要通過高位鉆孔進行抽采，工作面后方裂隙區(qū)形成低位低濃度瓦斯流動帶。這兩個區(qū)域的瓦斯可通過裂隙、裂縫運移至回采工作面，是導(dǎo)致工作面風(fēng)流、上隅角瓦斯?jié)舛壬叩闹匾蛩?。因此低位瓦斯流動帶可采用埋管抽采技術(shù)。

圖3 采空區(qū)水平方向裂隙區(qū)及瓦斯運移規(guī)律

3 “O”形圈瓦斯層位探測及抽采設(shè)計

3.1 瓦斯富集區(qū)探測

采場覆巖裂隙帶發(fā)育范圍為17.5～58.5 m，為確定最佳的高位鉆孔布置層位，需進一步掌握采空區(qū)瓦斯垂直方向的分布情況。因此，在15115 工作面回采初期，通過探測鉆孔監(jiān)測采空區(qū)覆巖內(nèi)瓦斯?jié)舛取Ｌ綔y孔鉆場設(shè)置在15115 回風(fēng)順槽，距切眼100 m，終孔位置與回風(fēng)順槽實體煤幫相距30 m，距15115 開切眼20 m，垂直高度分別為20 m、30 m、40 m，探測鉆孔布置如圖4（a）。鉆孔端頭處甲烷傳感器監(jiān)測結(jié)果如圖4（b）。

圖4 采空區(qū)瓦斯區(qū)實測

低位探測孔抽采瓦斯純量為0～0.12 m3/min，瓦斯?jié)舛纫恢北３衷?.0%左右，低于12%，抽采流量為0～5.3 m3/min，平均為0.5 m3/min，抽采瓦斯?jié)舛容^低，抽采量及抽采純量均較??；中位探測孔抽采瓦斯純量為0.02～0.32 m3/min，瓦斯?jié)舛仍?4.9%～22.8%間波動，平均值約為18%，抽采流量為0.6～6.5 m3/min，平均為3.3 m3/min，瓦斯?jié)舛确€(wěn)定且較高，抽采流量較大且較穩(wěn)定；高位探測孔抽采瓦斯純量為0.01～0.10 m3/min，瓦斯?jié)舛仍?.4%～21.7%間波動，平均值約為13%，抽采流量為0.2～2.0 m3/min，平均為1.0 m3/min，瓦斯?jié)舛炔▌幼兓^大，抽采流量較小。綜上，中位瓦斯探測孔瓦斯含量顯著高于其余兩個探測孔，即說明高位瓦斯抽采鉆孔的布置垂直層位為6 倍采高（30 m）。

3.2 高位鉆孔與回風(fēng)順槽水平距離分析

采空區(qū)高位鉆孔與回風(fēng)順槽水平距離過近，很可能出現(xiàn)抽出氣體與巷道內(nèi)氣流連通，無法抽到高濃度瓦斯；如果距離過遠可能位于采空區(qū)中部的重新壓實區(qū)域，難以達到預(yù)想的效果。參閱相關(guān)研究成果[3-4]，抽采鉆孔在水平方向與順槽的距離x應(yīng)滿足：

依據(jù)上社煤礦15115 工作面開采技術(shù)條件，采空區(qū)覆巖卸壓角為δ=57°，煤層傾角θ=5°，工作面長度L=200 m，冒落帶高度H=17.5 m，計算可得9.3 m ≤x≤66.7 m。

4 采空區(qū)瓦斯綜合抽采技術(shù)

4.1 高位鉆孔布置方案

根據(jù)15115 工作面開采技術(shù)條件，結(jié)合相似模擬研究及理論計算結(jié)果，15115 工作面可采長度約1500 m，共布置11 個鉆場，鉆場間距130～150 m，由外向里依次編號為1#～11#鉆場。以11#鉆場為例，其高位鉆孔布置方式如圖5。高位鉆孔通過回風(fēng)順槽L 型鉆場施工，鉆場內(nèi)錯回風(fēng)順槽10 m 布置，鉆場在煤壁開口底板抬高1.5 m，鉆場施工處距煤層頂板3.0 m，每個鉆場布置12 個高位鉆孔，鉆孔終孔處垂直層位分別為25 m、30 m、35 m，與回風(fēng)順槽內(nèi)錯距離10～40 m，鉆孔直徑153 mm。

圖5 15115 工作面高位鉆孔布置詳情（mm）

4.2 埋管抽采低位瓦斯

工作面后方0～20 m 裂隙區(qū)內(nèi)瓦斯采用后落山埋管技術(shù)進行抽采，確保上隅角瓦斯?jié)舛炔怀?。抽采管干路直徑?00 mm，布置在回風(fēng)順槽內(nèi)，采空區(qū)埋管直徑為400 mm，管壁上預(yù)先加工多個小直徑篩孔作為進氣口，埋管間距為4 m，抽采負壓為15 kPa。

5 瓦斯治理效果分析

為驗證15115 工作面采空區(qū)綜合抽采技術(shù)的應(yīng)用效果，在每個孔口處裝置有孔口流量監(jiān)測器。以11#鉆場的9#鉆孔為例，其抽采瓦斯?jié)舛燃傲髁咳鐖D6。

圖6 鉆孔瓦斯抽采量、抽采濃度

工作面與鉆場距離110～200 m，鉆孔未進入工作面回采上方，鉆孔進入工作面回采范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛壬练逯?4%，瓦斯流量也達到峰值3.2 m3/min，之后瓦斯?jié)舛仍?5%上下波動，瓦斯流量在2.5 m3/min 上下波動，抽采瓦斯?jié)舛容^高，流量穩(wěn)定，抽采效果良好。15115 工作面回采期間，瓦斯總涌出量平均為20.8 m3/min，風(fēng)排瓦斯流量平均為9.5 m3/min，抽采總量平均為11.3 m3/min。實施瓦斯綜合治理措施后，工作面瓦斯抽采率平均值為54.33%，抽采效果良好，工作面風(fēng)流及上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.4%左右，保證了工作面的安全回采。

6 結(jié)論

（1）依據(jù)15115 工作面地質(zhì)條件，相似模擬研究得到采空區(qū)覆巖冒落帶發(fā)育高度為17.5 m，裂隙帶高度范圍為17.5～58.5 m，工作面后方低位裂隙區(qū)寬度為20 m。

（2）現(xiàn)場實測表明，距煤層頂板30 m 層位瓦斯?jié)舛容^高，高位鉆孔與回風(fēng)順槽水平距離合理范圍為9.3 m ≤x≤66.7 m，據(jù)此設(shè)計高位鉆孔的布置方案，并設(shè)計采空區(qū)埋管抽采低位裂隙區(qū)內(nèi)瓦斯。

（3）15115 工作面回采期間，高位鉆孔瓦斯單孔抽放量可達2.5 m3/min，工作面瓦斯抽采率均值54.33%，工作面風(fēng)流及上隅角瓦斯穩(wěn)定0.4%左右，瓦斯綜合抽采效果良好，保障了工作面的安全生產(chǎn)。