基于裂隙帶分布規律的采空區瓦斯抽采技術

趙喜軍

（沁和能源集團有限公司，山西 晉城 048205）

采空區瓦斯大量涌入回采空間，會造成工作面上隅角瓦斯濃度超限，使得綜采工作面采煤工作被迫停止，影響正常生產的同時又給安全工作造成嚴重威脅[1]。工作面上隅角瓦斯超限一直是高瓦斯礦井綜采工作面瓦斯治理的重點[2]。高位鉆孔抽采采空區瓦斯是解決上隅角瓦斯超限問題的有效技術手段。高位鉆孔抽采采空區瓦斯由于具有低成本、施工便利、抽放效果好等特點，在我國許多煤礦得到推廣使用[3-4]。高位鉆孔若布置在采空區煤層頂板上方的裂隙帶內，抽采瓦斯濃度和純量都能大幅度提高，并且能夠實現連續抽采，提高采空區瓦斯抽采效果。對南凹寺煤礦30405綜采工作面采空區頂板巖層“豎三帶”進行研究，揭示在采動影響下3#煤層采空區堅硬頂板巖層裂隙帶的形成和分布規律，依據裂隙帶的分布高度優化設計了采空區瓦斯抽采高位鉆孔，并實施了瓦斯抽采，解決了高瓦斯礦井綜采工作面上隅角瓦斯超限問題。

1 工程概況

南凹寺煤業有限公司位于山西省晉城市沁水縣嘉峰鎮永安村，礦井核定生產能力60萬t/a。礦井目前開采的3#煤層平均厚度6.25m，平均傾角3.5°。礦井采用走向長壁分層綜合機械化開采方法，煤層開采順序為下行開采。上分層工作面采高為3.25m，下分層工作面采高為3m，頂板采用自然垮落法管理[5]。井田北部的30405上分層回采工作面長170m，工作面推進長度1140m。工作面回采初期采用“U+L”型通風系統，執行上級主管部門的相關規定，工作面改為“U”型通風系統，上隅角瓦斯濃度多次超限。決定采用回風巷布置高位鉆場抽采采空區瓦斯作為治理上隅角瓦斯超限的主要技術措施。

為了能準確地將高位鉆孔位置布置在采空區頂板巖層的裂隙帶中，達到最佳的抽采效果，分別采用理論計算和數值模擬的方法對30405上分層回采工作面采空區頂板巖層“豎三帶”分布規律進行研究。

2 三帶高度分布規律研究

2.1 三帶高度理論計算

采煤工作面開采后，采空區頂板上部的部分巖層會從下向上逐漸冒落、離層并出現垮落現象。工作面推進一定距離后，采空區頂板巖層會從下向上出現垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，即“豎三帶”。

冒落帶高度一般為采高的2～5倍，裂隙帶高度一般為采高的4～20倍。

冒落帶高度計算方法：

式中:

H1-冒落帶高度，m；

M-煤層累計采高，m；

K-巖石碎脹系數，取1.3；

α-煤層傾角，(° )。

裂隙帶高度計算方法：

式中:

H2-裂隙帶高度，m；

M-煤層累計采高，m。

把30405上分層工作面的煤層開采厚度和垮落巖石的碎脹系數帶入計算公式，得出相應的計算結果。冒落帶高度計算結果為20.88m，裂隙帶高度計算結果為56.89～74.69m，該工作面冒落帶和裂隙帶高度累計之和為77.77～95.57m。

2.2 三帶高度數值模擬計算

2.2.1 數值模擬軟件簡介

RFPA2D軟件是一個能模擬巖層裂紋開始產生、擴展直至斷裂全過程的數值分析軟件。該軟件的力學原理是基于連續介質力學和損傷介質力學，能夠進行煤層開采情況下頂底板巖層的應力分析和破壞分析。

2.2.2 數值計算模型的建立

30405 上分層回采工作面開采深度230m，數值計算模型模擬工作面開采過程中采空區頂板巖層的破壞情況。模型模擬的尺寸為300m×150m，劃分為300×150個網格單元，水平方向限制位移，垂直方向施加補償應力，模型下部邊界固定。頂底板巖層賦存情況根據南凹寺煤礦煤系地層綜合柱狀圖來確定，巖層的物理力學參數根據頂底板巖層力學試驗數據選取。

表1 數值模擬煤巖層主要物理力學參數

2.2.3 數值計算結果分析

工作面開始推進20m后，煤層上方頂板巖層開始冒落。隨著工作面的繼續推進，冒落帶上部巖層開始出現裂隙和離層現象。并且隨工作面推進，裂隙逐漸發展。

圖2 裂隙帶高度數值模擬結果

當工作面推進到100m，達到充分采動時，采空區頂板巖層豎向三帶發育明顯。經量測冒落帶高度約為20m，裂隙帶高度達70m，裂隙帶上方為彎曲下沉帶。數值模擬計算結果工作面冒落帶與裂隙帶高度之和約為90m。數值模擬計算結果與理論計算結果較為一致。

3 回風順槽高位鉆孔布置方案

裂隙帶是瓦斯富集區，能夠最大限度地抽采采空區的瓦斯，在對3#煤層采空區頂板巖層裂隙帶分布規律進行計算的基礎上，南凹寺礦形成了以“頂板高位鉆孔抽采采空區瓦斯”為核心的上隅角瓦斯治理技術。

30405上分層回采工作面采空區瓦斯抽采高位鉆場布置在回風巷內，高位鉆場之間的間距為60m，每個鉆場布置6個頂板瓦斯抽采鉆孔。瓦斯抽采鉆孔依據采空區裂隙帶高度的計算結果進行布置，鉆孔長度的大部分要布置在采空區頂板的裂隙帶內。后一個鉆場的鉆孔要超前前一個鉆場10m，當前一個鉆場的抽采鉆孔隨著工作面推進到鉆場附近時，鉆孔位于冒落帶巖層中不能有效進行瓦斯抽采時，后一個鉆場超前于前一個鉆場的抽采鉆孔能起到有效的補充作用。

圖3 高位鉆場布置平面圖

圖4 高位鉆場布置剖面圖

高位鉆場瓦斯抽采鉆孔的抽采流量日常監測顯示，抽采鉆孔在近一個月內能保持40～80%的瓦斯抽采濃度，每組6個鉆孔的抽采純量為5～8m3/ min。依據采空區頂板巖層裂隙帶分布規律布置好高位鉆場后，30405上分層綜采工作面回采正常割煤期間工作面上隅角最大瓦斯濃度僅為0.33%。現場測試結果證明，把瓦斯抽采鉆孔的大部分長度布置在采空區頂板裂隙帶內進行低負壓瓦斯抽采，能將裂隙帶內已經聚集的瓦斯和采空區內絕大部分瓦斯吸到裂隙帶內一起抽采到管道內，因此流向回采工作面上隅角的瓦斯大大減少，高瓦斯礦井回采工作面上隅角瓦斯濃度超限問題得以解決。

4 結論

（1）文本采用理論計算和數值模擬的方法得出南凹寺礦3#煤層回采工作面采空區頂板巖層三帶分布高度，為該礦3#煤層回風順槽高位鉆場采空區瓦斯抽采鉆孔的設計提供了較為準確的依據。

（2）對30405綜采工作面上分層回風巷高位鉆場的抽采鉆孔進行了優化設計，抽采鉆孔能有效截流和較長時間的抽采采空區瓦斯，避免采空區瓦斯大量涌入上隅角，有效解決高瓦斯礦井回采工作面上隅角瓦斯濃度超限問題。