綜放面走向高抽巷瓦斯抽采技術研究

王振剛　白志鵬(潞安環保能源開發股份有限公司常村煤礦,山西省長治市,046102)

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綜放面走向高抽巷瓦斯抽采技術研究

王振剛白志鵬
(潞安環保能源開發股份有限公司常村煤礦,山西省長治市,046102)

摘 要為解決五陽礦7603綜放面瓦斯超限問題,提出了布置走向高抽巷瓦斯治理方案。通過數值模擬研究了走向高抽巷在不同抽采負壓條件下瓦斯治理效果,得出了高抽巷最佳負壓抽采參數,確定了走向高抽巷瓦斯抽采管路、配套設備及密封墻的設計形式。現場試驗數據表明:采用走向高抽巷瓦斯抽采方案后,抽采瓦斯純量平均為22m3/min,抽采量占瓦斯涌出量的50%左右,工作面瓦斯濃度均控制在許可范圍內,有效地解決了該綜放面瓦斯嚴重超限的難題。

關鍵詞綜采放頂煤工作面 瓦斯超限 高抽巷 數值模擬 抽采負壓 最佳參數

近年來瓦斯超限一直是困擾高瓦斯礦井安全高效生產的一大難題,對此國內外許多學者在瓦斯治理方面做出了重大研究。婁金福以覆巖采動裂隙發育的O形圈理論為指導,研究了高抽巷分別布置在頂板不同高度的層位上時,其與回風巷水平距離以及與切眼間距離之間的相互關系;李迎超、張英華等通過Fluent軟件模擬了不同空間布置參數條件下的高抽巷抽放效果,研究了高抽巷空間布置參數與高抽巷瓦斯抽放效果之間的關系;李曉泉通過在回采期間采用高抽巷抽放采空區瓦斯時的現場數據分析,推導出了高抽巷抽放瓦斯量與風排瓦斯量之間的關系模型,并通過數學方法證明了其合理性;西銘礦、大佛寺礦、張集礦等應用高抽巷有效地防治了采空區瓦斯大量涌出的現象,解決工作面瓦斯超限問題。本文針對五陽礦瓦斯超限的難題,結合工作面地質狀況,提出了采用布置走向高抽巷瓦斯治理方案,并取得了顯著效果。

1　工程概況

五陽礦是一座核定生產能力為190萬t/a的大型礦井,目前主采＋600m水平,采用綜采放頂煤開采,全部垮落法管理頂板。主采3＃煤層屬于穩定性煤層,煤層厚度4.84～7.32m,平均厚度6.05 m,含煤系數11.20%。煤層頂板主要是泥巖、砂質泥巖,局部為粉砂巖或細粒砂巖,厚度0.61～18.51 m;底板主要是泥巖,局部為細粒砂巖或粉砂巖,厚度0.20～6.10m,一般2.80m。根據2014年瓦斯涌出量測定結果,五陽煤礦屬于高瓦斯礦井,礦井絕對瓦斯涌出量為106.59m3/min,相對瓦斯涌出量為15.72m3/t。

7603工作面開采3＃煤層,工作面最大瓦斯含量為6.17m3/t,殘存瓦斯含量為2.48m3/t,可解吸瓦斯含量為3.69m3/t,瓦斯壓力為0.22 MPa。工作面布置運輸巷、回風巷、內錯式瓦斯尾巷及高抽巷,其中,運輸巷進風,回風巷及內錯式尾巷回風,高抽巷為專用抽采巷道。內錯式瓦斯尾巷布置在煤層頂板上3m處,與回風巷間距20m;高抽巷布置在煤層頂板上35m處,與回風巷間距40m。

7603工作面鄰近的7601工作面和7605工作面均已開采完畢,頂底板均已受到破壞,為瓦斯從裂隙涌出提供了必要條件。7603綜放面走向高抽巷平面布置圖如圖1所示。

圖1　7603綜放面走向高抽巷平面布置圖

2　工作面瓦斯涌出源

根據已采工作面瓦斯涌出量測定,7603工作面瓦斯涌出來源主要為采空區瓦斯,采空區瓦斯可分為鄰近層及圍巖瓦斯、丟煤瓦斯、支架頂煤壁瓦斯、相鄰采空區瓦斯。這幾部分瓦斯按各自規律混合涌入采空區,此后在漏風及氣壓濃度差的作用下涌向工作面,造成該工作面瓦斯濃度嚴重超限。

3　高抽巷瓦斯抽采系統參數確定

在回采期間,為有效解決7603工作面瓦斯嚴重超限問題,提出在距回風巷平距40m、垂距35 m處布置走向高抽巷瓦斯治理方案,工作面采用U＋I＋G通風方式,在此基礎上采用FLUENT軟件對在不同抽采負壓條件下瓦斯抽采效果進行模擬研究。

3.1走向高抽巷合理抽采負壓數值模擬

為確定合理高抽巷抽采負壓,在確定合理通風系統、高抽巷布置層位及進風巷風速的基礎上,分別設定在1.5kPa、2.5kPa、3.5kPa3種不同抽采負壓條件下的瓦斯抽采方案,并對高抽巷瓦斯抽采效果進行分析。由不同抽采負壓下不同位置瓦斯濃度分布云圖可以看出,走向高抽巷抽采效果與抽采負壓息息相關,當抽采負壓為1.5kPa時,上隅角瓦斯濃度為0.68%,采場瓦斯濃度為0.59%;抽采負壓為2.5kPa時,上隅角瓦斯濃度下降較大,為0.56%,采場瓦斯濃度為0.53%;而當抽采負壓為3.5kPa時,上隅角瓦斯及采場瓦斯濃度均變化較小,分別為0.54%和0.51%。根據以上數據可以分析出走向高抽巷抽采負壓在1.5～2.5 kPa變化時,采場瓦斯濃度降低幅度較為明顯;抽采負壓在2.5～3.5kPa變化時,采場瓦斯濃度受高抽巷抽采負壓影響微弱。主要是因為高抽巷抽采負壓增加時,能有效拉升抽取下部采空區瓦斯,從而對采空區涌出瓦斯形成分流;但如果在抽采強度過高的情況下,工作面漏風量相對增加,從而打破了采空區瓦斯平衡狀態,使深部瓦斯向淺部運移,造成瓦斯濃度減少趨勢變緩。故走向高抽巷最優抽采負壓應設定在2.5kPa左右。

3.2抽采管路的確定

根據計算及現場實際情況確定地面主管選用D820mm×10mm螺旋焊接鋼管;管道井主管選用D820mm×15mm螺旋焊接鋼管;井下采區專用回風巷干管選用D630mm×8mm礦用瓦斯鋼管;巷道支管選用D400 mm×6 mm礦用瓦斯鋼管。

選用2臺功率為900kW CBF810－2型水環式真空泵,1運1備;低負壓抽采系統規模為40m3/min。

3.3走向高抽巷密封墻設計

高抽巷采用2道封閉墻進行密閉,厚度均為1000mm;掏槽深度300mm,兩道封閉墻間距為2.2m,在封閉墻中間用水泥砂漿進行充填,并在高抽巷外2.5m范圍內進行噴漿處理。高抽巷封閉示意圖如圖2所示。

圖2　走向高抽巷封閉示意圖

4　現場試驗

針對7603綜放工作面瓦斯涌出量大的難題,在掘進階段,采用邊掘邊抽和采前預抽的方式。由于80%的瓦斯來源于開采層,所以采用巷道布置鉆孔的預抽瓦斯治理方案對工作面瓦斯進行預抽治理:在7603回風巷、運輸巷施工孔間距1m、孔深100m、孔徑115mm的采前預抽鉆孔,回風巷施工鉆孔1962個,鉆孔進尺178108m;運輸巷施工鉆孔1442個,鉆孔進尺118727m;在工作面切眼施工預抽鉆孔,孔間距1m、孔深60m、孔徑115mm,共施工鉆孔135個,鉆孔進尺8378m。

7603綜放工作面回采期間,采用走向高抽巷對工作面瓦斯進行抽采。高抽巷端頭距開切眼距離為10m,當工作面推進10m后,高抽巷開始抽采。運輸巷進風量為42m3/s,回風巷回風量為25 m3/s,工作面瓦排巷回風量為12m3/s。

頂板高抽巷抽采瓦斯量及其占總涌出量的比例如圖3所示。由圖3可以得出,高抽巷從2015年3月10日開始抽采,由于定向水力壓裂技術在開切眼處的應用,工作面老頂初次垮落步距控制在10m內,隨工作面的推進,高抽巷的瓦斯抽采濃度和抽采量逐漸增加,且在3月18日之后,瓦斯抽采量和涌出量逐漸趨向于穩定,此時走向高抽巷抽采瓦斯純量17～27m3/min,平均22m3/min,抽采量占瓦斯涌出量的40%～50%左右。

圖3　頂板高抽巷抽采瓦斯量及其占總涌出量的比例

采用布置走向高抽巷瓦斯治理方案后,內錯瓦斯尾巷瓦斯濃度控制在0.9%～2.3%,上隅角及回風巷瓦斯濃度均控制在0.7%以內,實現了7603綜放面安全高效生產。

5　結論

(1)通過FLUENT數值模擬研究了高瓦斯礦井在不同瓦斯抽采負壓條件下走向高抽巷瓦斯抽采效果,確定了最佳抽采負壓為2.5kPa。

(2)確定了走向高抽巷瓦斯抽采管路、配套設備及密封墻布置方案,為相似地質條件下的工程提供借鑒。

(3)現場試驗數據表明:采用走向高抽巷瓦斯治理方案后,抽采瓦斯純量平均為22m3/min,抽采量占瓦斯涌出量的40%～50%左右,且內錯瓦斯尾巷瓦斯濃度控制在0.9%～2.3%,上隅角及回風巷瓦斯濃度均控制在0.7%以內,實現了7603綜放面安全高效回采。

參考文獻:

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(責任編輯張艷華)

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Studyonthetechniqueofgasdrainageinthestrikehighdrainageroadway ofthetopcoalcavingface

WangZhengang,BaiZhipeng
(ChangcunCoalMine,Lu＇anEnvironment& EnergyDevelopmentCo.,Ltd.,Changzhi,Shanxi046102,China)

AbstractInordertosolvethegasoverrunningofNo.7603topcoalcavingfaceintheWuyangCoalMine,thegascontrolscheme,inwhichthestrikehighdrainageroadwaywaslayout. Thegastreatmenteffectofstrikehighdrainageroadwayunderdifferentnegativepressureof drainagewasstudiedbynumericalsimulation,andthentheoptimumdrainageparameterswere obtained,furtherthegasdrainagepipe,supportingequipmentanddesignofsealingwallweredetermined.Fieldexperimentaldatashowthattheaveragenetgasquantityreaches22m3/minafter adoptingthegasdrainageinthestrikehighdrainageroadway,thegasdrainagequantityaccountedforabout50%ofgasemissionquantity,gasconcentrationintheworkingfaceisintherange ofpermission,whicheffectivelysolvestheseriousgasoverrunninginthetopcoalcavingface.

Keywordsthetopcoalcavingface,gasoverrunning,highdrainageroadway,numerical simulation,negativepressureofdrainage,optimumparameter

中圖分類號TD712.6

文獻標識碼A

作者簡介:王振剛(1981－),男,山西太原人,碩士研究生,現任潞安集團常村煤礦副總工程師,從事通風安全和瓦斯防治工作。