綜采工作面上隅角瓦斯治理技術(shù)研究

任傳劍

山西焦煤西山煤電馬蘭礦 山西 太原 030200

1 前言

隨著新型能源的不斷發(fā)展，風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等能源產(chǎn)量規(guī)模的不斷加大，化石能源的消耗逐步降低，但由于我國(guó)仍處于綠色能源的發(fā)展階段，所以煤炭資源的消耗仍是現(xiàn)如今人民生產(chǎn)生活的重要保障。在進(jìn)行煤礦開(kāi)采過(guò)程中由于煤層中的瓦斯含量使得煤礦瓦斯問(wèn)題異常突出，采空區(qū)瓦斯作為回采工作面瓦斯涌出的主體部分約占總量的50%～60%。當(dāng)采空區(qū)瓦斯的涌出量過(guò)大時(shí)，在工作面上隅角瓦斯?jié)舛容^大，所以對(duì)工作面上隅角瓦斯聚集進(jìn)行治理是十分必要的[1，2]。此前華明國(guó)等[3，4]為了解決工作面上隅角瓦斯問(wèn)題，提出大直徑鉆孔治理技術(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工發(fā)現(xiàn)，鉆孔成孔率從40%增大至89%，鉆桿斷裂率從60%降低到22.2%，鉆孔的最終高度從平均1.6 m增大至3.0 m，加好的提高了施工質(zhì)量，提升了瓦斯抽采效果 。本文選定U＋采空區(qū)埋管＋高抽采的瓦斯治理方案，并研究了治理后瓦斯漏風(fēng)、涌出及瓦斯的運(yùn)移規(guī)律，并對(duì)不同治理參數(shù)對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛扔绊戇M(jìn)行研究，為礦井的安全開(kāi)采作出一定的貢獻(xiàn)。

2 工作面瓦斯?jié)舛妊芯?/h2>

18303工作面的北側(cè)與西側(cè)是實(shí)體煤，回風(fēng)大巷由回風(fēng)順槽、高抽巷、進(jìn)風(fēng)順巷及切眼組成。進(jìn)風(fēng)順巷長(zhǎng)為2520.6m，高抽巷2384.7m，回風(fēng)順槽2381.7m，工作面切眼290m，煤層的采長(zhǎng)為2510.6m。工作面煤層厚度為6.25m～6.55m，均厚6.4m，采用走向長(zhǎng)壁后退式放頂煤采煤法。工作面瓦斯原始含量為10m3/t，可治理瓦斯含量為7.1m3/t，殘留約為2.4m3/t，所以為高瓦斯工作面。工作面順槽平行孔由φ400mm的瓦斯管進(jìn)行連接北風(fēng)井由1號(hào)泵站進(jìn)行抽采，同樣膠帶順槽連接北風(fēng)井1號(hào)泵站抽采，在采空區(qū)布置φ400mm的埋管連接北風(fēng)井2號(hào)泵站抽采，高抽巷連接北風(fēng)井2號(hào)泵站利用φ630mm瓦斯管進(jìn)行帶抽，最后利用φ800mm的瓦斯管進(jìn)行風(fēng)排。

對(duì)抽采方案下工作面的抽采情況進(jìn)行一定的研究，首先在工作面的順槽進(jìn)行鉆孔布置，在膠帶順槽距離切眼400m內(nèi)、回風(fēng)巷距切眼600m內(nèi)布置鉆孔，工作面抽采情況如表1所示。

表1 工作面鉆孔抽采情況表

從表1可以看出，在膠帶順槽位置瓦斯純量為10.2m3/min，瓦斯的混量為70.7m3/min，瓦斯?jié)舛葹?4.4%，在回風(fēng)順槽位置瓦斯純量為6.5m3/min，瓦斯的混量為80.9m3/min，瓦斯?jié)舛葹?.8%，整個(gè)工作面瓦斯抽采純量約為16.6m3/min，占據(jù)抽采總量的34.5%。

對(duì)工作面膠帶順槽裂隙帶布置24個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)含有12個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔的深度為130m，鉆孔開(kāi)孔的高度為1.8m，鉆孔的間距為0.5m，鉆孔控制在膠皮順槽的100m范圍內(nèi)，鉆場(chǎng)的抽采情況如表2所示。

表2 工作面裂隙帶鉆孔抽采情況表

工作面的裂隙帶鉆孔瓦斯純量為1.2m3/min，約占據(jù)著總抽采量的2.5%，可以看出抽采瓦斯?jié)舛容^低，抽采的混合流量較大，同時(shí)2號(hào)鉆場(chǎng)的瓦斯抽采濃度較大，瓦斯抽采效果好。同時(shí)對(duì)1號(hào)高抽巷的抽采效果進(jìn)行分析，工作面的平均排風(fēng)量為2.3m3/min，抽采負(fù)壓為7kPa，抽采的混量為263.3m3/min，抽采濃度為5.4%，抽采純量為14.22m3/min。1號(hào)高抽巷的抽采效果進(jìn)行分析，工作面的抽采負(fù)壓為7kPa，抽采的混量為262.2m3/min，抽采濃度為5.9%，抽采純量為15.48m3/min。高抽巷總的抽采量為29.67m3/min，占總量的61.5%。對(duì)上隅角進(jìn)行埋管抽采，在回風(fēng)順槽接φ400mmPE對(duì)上隅角進(jìn)行帶抽，抽采負(fù)壓為3kPa、抽采的混量為24.56m3/min、抽采濃度為2.97%，純量為0.74m3/min，占了總量的1.53%。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

頂板的高抽巷是防止工作面上隅角瓦斯聚集而設(shè)置的，高抽巷的抽采效果不僅與頂板的發(fā)育程度等有關(guān)同時(shí)也與抽采參數(shù)有關(guān)，所以對(duì)高抽巷的抽采參數(shù)進(jìn)行模擬研究。模擬忽略采煤機(jī)等采煤設(shè)備，不考慮礦井周期來(lái)壓等情況，建立進(jìn)風(fēng)回風(fēng)巷的長(zhǎng)寬高分別為20m、5m、3m，高抽巷的長(zhǎng)寬高分別為10m、3m、3m，工作面的尺寸分別為 長(zhǎng)290m、寬9m、高3m。完成模型建立后對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

不同高抽巷層位采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D可以看出，采空區(qū)的瓦斯?jié)舛仍谡w分布上呈現(xiàn)出回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛容^大而進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛刃〉奶攸c(diǎn)。這是由于在采空區(qū)的進(jìn)風(fēng)側(cè)由于進(jìn)風(fēng)流的作用使得瓦斯?jié)舛鹊玫揭欢ǔ潭鹊南♂?，所以呈現(xiàn)出瓦斯?jié)舛容^低的特點(diǎn)，而在采空區(qū)的回風(fēng)側(cè)由于通風(fēng)阻力使得瓦斯聚集。同時(shí)在豎直方向上，采空區(qū)從上至下的瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)，這是由于采空區(qū)下部冒落帶的漏風(fēng)量大，而頂板裂隙帶的漏風(fēng)量較低，所以瓦斯瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)上述趨勢(shì)，同時(shí)瓦斯?jié)舛让芏容^小，易浮于空氣的上方，所以也會(huì)造成這種情況。同時(shí)高抽巷層位的改變對(duì)瓦斯?jié)舛日w的影響較小，但對(duì)上隅角的瓦斯?jié)舛扔兄哟蟮挠绊?，隨著高抽巷水平方向距離風(fēng)巷的距離增加，高抽巷對(duì)上隅角的影響范圍逐步增大，低濃度區(qū)域的范圍變大，所以高抽巷距離上隅角范圍的增大使得上隅角瓦斯治理難度增大，治理效果較差，不利用上隅角瓦斯?jié)舛鹊目刂啤?/p>

3.2 模擬分析

為了對(duì)不同埋管深度下瓦斯的濃度及上隅角瓦斯?jié)舛汝P(guān)系，對(duì)采空區(qū)埋管深度10m、30m、50m和70m的瓦斯抽采濃度及上隅角濃度進(jìn)行分析，不同埋深瓦斯?jié)舛茸兓€如圖1所示。

圖2 埋管深度上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€

從圖1不同埋管埋深上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€可以看出，隨著埋管深度的不斷增大，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)埋管深度為10m時(shí)，此時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛葹?%，當(dāng)埋管深度增大至30m時(shí)，此時(shí)的上隅角瓦斯?jié)舛葴p小至0.75%，埋管深度增大至50m時(shí)，此時(shí)的上隅角瓦斯?jié)舛仍龃笾?.56%，當(dāng)埋管深度為70m時(shí)，此時(shí)的上隅角瓦斯?jié)舛茸畲鬄?%?？梢钥闯霎?dāng)采空區(qū)的埋管深度為30m～40m時(shí)，此時(shí)的采空區(qū)上隅角的瓦斯?jié)舛瓤梢杂行У目刂圃?%以下，同時(shí)埋管抽采效果較好，在一定程度上保障了工作面的安全，同時(shí)減小了能源的浪費(fèi)。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況提出U＋采空區(qū)埋管＋高抽采的瓦斯治理方案，并對(duì)治理后的瓦斯抽采效果進(jìn)行分析，為后續(xù)的研究提供依據(jù)。（2）利用數(shù)值模擬對(duì)不同高抽巷層位下綜采面瓦斯分布情況進(jìn)行分析，確定當(dāng)距離煤層底板和回風(fēng)順槽20m的位置為最佳布置層位。

（3）利用數(shù)值模擬對(duì)不同埋管埋深下上隅角瓦斯分布情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著埋深的增大，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，同時(shí)埋深30m～40m時(shí)效果最佳。