沙曲礦瓦斯抽放模型研究

王向東，景瑞旭

(山西省華晉焦煤有限公司，山西 柳林 033301)

1 礦井概況

沙曲井田總體呈一單斜構造，地層走向由北向南，由南北向漸變為北西向，傾向由西漸變為南西，地層傾角平緩，一般為3°～7°。井田內以寬緩的小型褶曲及陷落柱構造為主，斷層稀少且斷距小，井田內無巖漿侵入，井田地質結構屬簡單型。其工作面布置方式均為傾斜長臂后退式開采。

目前，華晉焦煤沙曲礦主采山西組4#煤層和5#煤層。其中4號煤層賦存于山西組下部，上距3#煤平均6．16 m，煤厚平均2．98 m。北翼區域部分為3#、4#煤合并的厚煤地段，煤層多為4 m左右，最厚達6．05 m。5#煤層上距4#煤層平均2．98 m，煤厚平均2．73 m。

沙曲礦4#煤層瓦斯含量平均值為11．06 m3/t，百米鉆孔衰減性系數為0．026 d－1，鉆孔抽放半徑為5 m，經鑒定沙曲礦4#煤層具有煤與瓦斯突出危險性。

2 瓦斯抽放模型

本模型首先要解決采掘工作面煤與瓦斯突出的問題，其次要解決采掘工作面瓦斯涌出量大的問題，還要解決回采工作面采空區和回采工作面上隅角瓦斯問題。

2．1 定向順層鉆孔預抽

為解決采掘工作面煤與瓦斯突出和采掘工作面瓦斯涌出量大的問題，采用定向鉆機(VLD1000型澳鉆)施工全工作面的順層鉆孔(見圖1)，根據抽放半徑安排鉆孔間距為10 m，因工作面長度為260 m，煤柱寬度為50 m，外加區域防突的保留距離，因此，鉆孔設計深度為350 m。

圖1 鉆孔布置圖

因鉆孔施工巷道為上工作面專用回風巷道，因此，在工作面回采時可以繼續進行瓦斯抽放。以保證抽放時間，將抽放時間暫定為1年。瓦斯抽放鉆孔實際抽放率ηs計算公式為：

式中：ηs—預抽鉆孔實際瓦斯抽放率，%;

qc0—百米鉆孔初始瓦斯抽放量，m3/min，取0．6205;

β—鉆孔瓦斯抽放量衰減系數，d－1，取 0．026;

t—預抽鉆孔平均預抽時間，d，取150;

L1—預抽鉆孔平均單孔長度，m，取350;

W0—煤層原始瓦斯含量，m3/t，取11．06;

L0—工作面長度，m，取350;

d1—巷道預排瓦斯等值寬度，因鉆孔為下工作面預留40 m，因此d1=40 m;

m0—煤層厚度，m，取4;

γ—煤容重，t/m3，取 1．36;

z—預抽鉆孔間距，m，取10;

k—預抽鉆孔布孔方式參數，單巷布置則k=1。

由以上公式計算可得：

由此可知，在沙曲礦3#煤和4#煤合并區域抽放150天后瓦斯抽放率可達63．3%，煤體殘余瓦斯含量為4．05 m3/t。隨著抽放時間的延長，鉆孔抽放量逐漸衰減，抽放150天后鉆孔已接近抽放極限。如果工作面暫時無需回采，鉆孔可以繼續抽放，但是工作面瓦斯殘余量無明顯下降趨勢(見圖2)。可以確定已經達到工作面消突的目的，并且在巷道掘進和工作面回采時可降低本煤層瓦斯涌出。

圖2 抽放率和殘余瓦斯含量曲線圖

2．2 采空區裂隙帶鉆孔抽放

因工作面本煤層和鄰近層瓦斯均涌入回采工作面采空區的空間內，容易造成回采工作面瓦斯超限等問題。但工作面采空區瓦斯均流向靠近回風巷的負壓區上方，針對此特點并利用工作面專用回風巷施工采空區鉆孔可抽采上鄰近層瓦斯。為此根據裂隙帶鉆孔流量大的特點，施工鉆孔必須采用大直徑，并且抽放必須采用大負壓。為此沙曲礦安排了孔徑為250 mm的ADR－250鉆機，對采空區的裂隙帶部位施鉆，按照采空區三帶分布，工作面上部8～12倍采高是鉆孔最合適的抽放區域，為此鉆孔終孔高度定為48 m(見圖3)。鉆孔采用鉆場式布置，每個鉆場布置鉆孔5個，鉆場間距75 m，終孔間距15 m(以24207工作面為例)。

圖3 裂隙帶鉆孔剖面圖

在連續觀測3個鉆場后可知，從第一個鉆場正常抽采后，抽放量均能達到12 m3/min，并且第一鉆場抽放量衰減時，第二個鉆場抽放量則迅速上升，說明鉆場之間銜接較為合理，鉆場內抽放量波動較小，說明鉆場內各個鉆孔之間銜接也較為合理(見圖4)。該類型鉆孔抽放量能夠達到該工作面絕對瓦斯涌出量的40%左右，是解決回采工作面瓦斯的主要方法。

圖4 裂隙帶鉆孔抽放量曲線圖

2．3 采空區埋管抽放

為解決采空區上隅角瓦斯，沿回采工作面的回風側的上幫敷設1條450 mm瓦斯管，每隔6 m在瓦斯管外側安裝1個150 mm三通和閥門，在工作面回采至三通位置時進行接管抽放，經過初采期后上隅角瓦斯濃度穩定在0．3% ～0．6%，且濃度無明顯反彈，能夠保證工作面安全、穩定、高效生產。

3 結論

本模型的特點是在上回采工作面回采前完成順層鉆孔的施工工作，然后在上工作面回采的過程中進行抽放;因回采時間較長，在上工作面回采完成后，工作面煤體抽放率達到63．3%，下工作面巷道已經消突，可以正常掘進;巷道掘進完成后，布置采空區裂隙帶鉆孔，同時安裝工作面;在回采過程中40%的瓦斯被采空區裂隙帶鉆孔抽放，上隅角瓦斯被埋管抽放。工作面可以安全高效生產。

本模型采用上工作面巷道的遞進式瓦斯治理模式，無需施工頂板走向高抽巷和底板瓦斯抽放巷，節約了大量的巖巷施工時間，同時減少了巖巷開拓的成本，并且所有鉆孔的瓦斯濃度均在30%以上，順層定向鉆孔瓦斯濃度甚至可達70%以上，可以作為優質清潔的能源，為礦井增加新的經濟效益增長點。

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