南煤集團12#煤層開采上鄰近層瓦斯治理技術(shù)

段慧俊

（大陽泉煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

1 工程概況

南煤集團南莊煤礦位于陽泉礦區(qū)，礦井主要開采3#、6#、8#、10#、12#和15#煤層，其中3#和6#煤層已回采完畢，各煤層均富含瓦斯，煤層瓦斯壓力為0.25～2.3 MPa。礦井目前主采12#和15#煤層，12#煤層平均厚度為1.22 m，平均傾角為6°，煤層瓦斯壓力為1.1 MPa，瓦斯含量為14.75 m3/t，煤層透氣性為1.70～6.92 m2/（MPa2·d）。12#煤層的上鄰近層有6#、8#、9#、10#和11#煤層。通過計算知12#煤層裂隙帶的最大發(fā)育高度為45.5 m，裂隙帶發(fā)育至8#煤層底板，即12#煤層回采期間上鄰近層的瓦斯主要來源于9#、10#和11#煤層。具體煤層間關(guān)系如圖1。為有效治理12#煤層回采期間上鄰近層涌出的瓦斯，需要研究提出有效的瓦斯治理方案。

圖1 煤層柱狀圖

2 鄰近層瓦斯卸壓運移規(guī)律

4611 工作面長度為180 m，工作面采高為1.5 m，采用綜合機械化開采工藝。工作面內(nèi)布置三條回采巷道，分別為軌道平巷、運輸平巷和用于排放瓦斯的外錯尾巷。4611 工作面采用“一進一回”的U型通風方式布置，即正巷進風，副巷回風，走向長度946 m，傾向長度176 m，正副巷巷道斷面均為11.88 m2。工作面采用相鄰的4610 工作面的正巷作為本工作面的瓦斯抽采巷。具體本工作面布置平面圖如圖2 所示。

圖2 4611 工作面平面示意圖

根據(jù)工作面的各項參數(shù)，采用Fluent 數(shù)值模擬軟件建立采場工作面及采空區(qū)模型[1-3]，模型中設(shè)置進風順槽為速度進口，風速為3.2 m/s，設(shè)置回風順槽為自由出流。采場模型及網(wǎng)格劃分如圖3。

圖3 數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出采場中瓦斯的分布規(guī)律如圖4。

圖4 采場瓦斯三維分布圖

分析圖4 可知，在工作面和采空區(qū)的整體采場范圍內(nèi)，采空區(qū)裂隙帶頂部的瓦斯?jié)舛茸罡撸_到88.9%，工作面進風巷一側(cè)的瓦斯?jié)舛茸畹?；在工作面平行剖面方向上，從距工作?5 m 和60 m 兩個較遠的瓦斯源進行分析，由于兩瓦斯源間巖層較為堅硬，裂隙溝通不充分，因此在距工作面60 m的位置處瓦斯賦存云圖中能夠看出，瓦斯在采空區(qū)的富集可大致劃分為兩個區(qū)域，瓦斯主要富集在裂隙帶上邊界9#煤層附近，同時在10#煤層和11#煤層附近同樣形成了一個濃度較高的瓦斯富集區(qū)域；從高位瓦斯?jié)舛雀患瘏^(qū)能夠看出12#煤層頂板上方9#煤層附近的瓦斯?jié)舛冗_到93.8%，該區(qū)域的瓦斯?jié)舛雀哂?0#和11#煤層，且該區(qū)域的瓦斯基本積聚在“O”型圈內(nèi)，因此在進行瓦斯抽采鉆孔布置時，應(yīng)將鉆孔布置在裂隙帶的兩瓦斯富集區(qū)域內(nèi)；鉆孔的終孔位置應(yīng)在采動裂隙的“O”形圈內(nèi)，這樣才能保障抽采效果和抽采范圍。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，能夠得出工作面沿傾向方向工作面瓦斯?jié)舛确植技安煽諈^(qū)漏風流線如圖5。

圖5 工作面瓦斯?jié)舛燃安煽諈^(qū)流線分布圖

分析圖4（a）可知，工作面從進風巷到回風巷區(qū)域，沿著工作面傾向方向瓦斯?jié)舛戎饾u增大，其中工作面上隅角區(qū)域的瓦斯?jié)舛茸畲?，在工作面未采取任何抽采措施下，上隅角瓦斯?jié)舛冗_到4.69%，外錯尾巷中的瓦斯也較高。分析圖4（b）可知，采空區(qū)內(nèi)的漏風流線呈現(xiàn)為拋物線狀，上隅角區(qū)域是采空區(qū)內(nèi)風流的必經(jīng)通道，采空區(qū)內(nèi)漏風帶處的瓦斯均在上隅角區(qū)域匯合，進而導致工作面上隅角區(qū)域的瓦斯?jié)舛容^高。

綜合上述分析，12#煤層回采期間，頂板巖層會形成兩個瓦斯富集區(qū)，在9#煤層區(qū)域形成高位瓦斯富集區(qū)，在10#和11#煤層處形成低位瓦斯富集區(qū)。

3 瓦斯抽采方案及效果

3.1 上鄰近層瓦斯抽采方案

根據(jù)工作面回采期間上鄰近層瓦斯運移規(guī)律的模擬結(jié)果可知，采動影響后上鄰近層會形成高低位瓦斯富集區(qū)，且兩個富集區(qū)的垂直間距較遠。為采用同一種抽采方法解決兩個富集區(qū)瓦斯涌出的問題，設(shè)計布置高位和低位鉆孔的方式對瓦斯富集區(qū)內(nèi)的瓦斯進行有效抽采[4-6]，達到有效治理12#煤層上鄰近層卸壓瓦斯的目的。具體上鄰近層瓦斯抽采方案如下：

（1）尾巷抽采鉆孔布置。巷道內(nèi)布置1 個低位和21 個高位抽采鉆孔，低位鉆孔和高位鉆孔的終孔層位分別為11#煤層頂板石灰?guī)r和9#煤層中。低位1#鉆孔距工作面開切眼20 m，1#與2#鉆孔間距為10 m，2#～16#鉆孔間距為40 m，16#～22#鉆孔間距為50 m。具體尾巷內(nèi)抽采鉆孔參數(shù)見表1。

表1 尾巷內(nèi)抽采鉆孔參數(shù)表

（2）回風巷鉆孔布置。回風巷內(nèi)抽采鉆孔均為低位鉆孔，采用布置鉆場的方式進行瓦斯抽采。巷道內(nèi)布置39 個鉆場，鉆場間距為20 m。其中1#和2#鉆場內(nèi)布置3 個鉆孔，3#～39#鉆場內(nèi)均布置4個抽采鉆孔，鉆孔均在距底板2 m 的位置處開孔，水平間距0.5 m，鉆孔覆蓋區(qū)域為工作面16～60 m范圍內(nèi)，鉆孔仰角在10°～25°范圍內(nèi)，終孔層位基本位于11#煤層頂板。

具體4611 工作面上鄰近層瓦斯抽采鉆孔布置方案如圖6。所有抽采鉆孔均采用聚氨酯膠帶封孔[7]，聚氨酯膠帶規(guī)格為Φ150 mm×3000 mm。工作面尾巷中布置一趟Φ380 mm 的抽采管路用于排放尾巷中抽出的瓦斯，回風巷中布置一趟Φ226 mm 的抽采管路用于排放回風巷低位鉆孔抽出的瓦斯。

圖6 4611 工作面上鄰近層瓦斯抽采鉆孔布置（m）

3.2 效果分析

4611 工作面采用高低位鉆孔抽采上鄰近層瓦斯方案應(yīng)用后，工作面瓦斯抽采情況見表2。分析表2 可知，上鄰近層瓦斯抽采方案實施后，工作面的瓦斯抽采率基本達到85%，除工作面開始回采的1～2 月瓦斯抽采率較低外（這是由于此時頂板垮落不充分，上鄰近煤層卸壓不充分），隨著工作面回采作業(yè)的進行，工作面回采推進3 個月后，工作面抽采效率均在85%以上，抽采效果顯著。

表2 4611 工作面回采期間瓦斯抽采數(shù)據(jù)表

在回采作業(yè)空間內(nèi)進行各個區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊臏y試分析。結(jié)果得出，上鄰近層高低位鉆孔瓦斯抽采方案應(yīng)用后，工作面上隅角區(qū)域的瓦斯?jié)舛冉档椭?.6%，其余區(qū)域瓦斯?jié)舛染€(wěn)定在0.3%～0.4%。

4 結(jié)論

根據(jù)南煤集團12#煤層及瓦斯數(shù)值模擬回采期間上鄰近層瓦斯運移規(guī)律，得出上鄰近層瓦斯會分別在10#、11#煤層附近和9#煤層附近分別形成低位和高位瓦斯富集區(qū)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果設(shè)計高低位鉆孔參數(shù)，抽采效果顯著，保障了工作面的安全回采。