裕泰煤業15102 工作面高抽巷瓦斯抽采研究與應用

李繼平

（陽泉煤業集團有限責任公司，山西 陽泉 045200）

1 工程概況

山西陽泉煤業（集團）平定裕泰煤業有限公司15102 工作面主要開采15#煤層，煤層平均厚度為5.50m，全區穩定可采。煤層頂板巖層主要為砂質泥巖與粉砂巖，底板巖層主要為泥巖與灰巖。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，通風方式為“一進兩回”（運輸順槽進風，回風順槽及內錯尾巷回風），即“U+I”的通風方式。具體通風方式如圖1 所示。

圖1 15102 綜放工作面通風方式示意圖

根據礦井地質資料可知，15#煤層瓦斯含量為7.71m3/t，瓦斯壓力為0.2MPa，透氣性系數為0.0213m2/MPa2·d，百米鉆孔自然瓦斯流量衰減系數為0.177d-1?；谏鲜鰯祿芍?5#煤層屬于較難抽采煤層。15102 工作面通過布置高抽巷進行采空區裂隙帶的瓦斯抽采，采用頂板穿層鉆孔抽采鄰近層瓦斯，閉墻壓管抽采采空區瓦斯，布置本煤層鉆孔進行回采作業時的瓦斯抽采作業。由于采空區裂隙帶的瓦斯涌出量較大，故為有效治理裂隙帶瓦斯，需對高抽巷瓦斯抽采系統進行設計研究。

2 高抽巷布置參數分析

2.1 高抽巷合理位置分析

為充分保障15102 工作面瓦斯抽采的效率，現采用Fluent 數值模擬軟件對高抽巷的合理位置進行分析。根據15102 工作面的具體地質條件，建立長×寬×高=20m×5m×4m 的數值模型，設置垮落帶的高度為25m，裂隙帶的高度為100m，將風流的進口與出口分別設置為進風巷與內錯尾巷。具體數值模型走向剖面簡化模型圖如圖2 所示。

圖2 數值模擬模型走向剖面圖

根據15102 工作面的具體情況，對模型中的滲透率、質量源相和粘性阻力系數進行賦值[1-2]。具體設置自燃堆積區、載荷影響區、壓實穩定區和裂隙帶的粘性阻力系數分別為1.1×105m-2、4.5×105m-2、5.6×105m-2和9.6×105m-2，滲透率分別為0.37、0.17、0.09 和0.02。設置工作面和采空區的質量源相分別為3024和110880。分別設置高抽巷與煤層頂板垂距、與回風巷垂距不同時，對瓦斯抽采效果進行分析，具體設置的模擬方案為：高抽巷與煤層頂板垂距，高抽巷與回風平巷垂距分別為（35m，35m）、（35m，40m）、（35m，45m）、（30m，40m）和（40m，40m）。

根據數值模擬結果，能夠得出工作面在不同位置高抽巷內進行瓦斯抽采作業時，瓦斯抽采的濃度、上隅角瓦斯濃度及回風巷的瓦斯濃度數據如表1 所示。

通過具體分析表1 可知，當高抽巷與煤層頂板間的垂直距離為35m 時，高抽巷與回風巷平距為35m、40m 和45m 三種情況下，在高抽巷與回風巷平距為40m 時，瓦斯抽采濃度最大，抽采濃度在26%～28%，回風巷瓦斯濃度最小，為0.5%～0.7%，工作面上隅角瓦斯濃度0.6%～0.8%。當高抽巷與回風巷間的距離為40m 時，在高抽巷與煤層頂板垂距分別為30m、35m 和40m 三種情況下，當高抽巷與煤層頂板垂距為30m、與回風巷垂距為40m 時，瓦斯的抽采濃度較小，這是由于巷道位置與垮落帶的邊界較為接近造成的。當高抽巷與煤層頂板垂距為40m、與回風巷平距為40m 時，此時瓦斯抽采濃度較大，但根據數值模擬結果能夠看出此時的瓦斯抽采純量較小。故綜合上述分析可知，布置高抽巷的合理位置與煤層頂板垂距為35m，與回風巷平距為40m。具體高抽巷在該種布置方式下的采場瓦斯分布特征及高抽巷內流體的速度矢量圖如圖3 所示。

表1 高抽巷處于不同位置時瓦斯抽采效果

圖3 高抽巷與煤層頂板垂距35m、與回風巷垂距40m時模擬結果

2.2 高抽巷抽采系統參數設置

（1）抽采負壓。為有效確定高抽巷的抽采負壓，在確定了高抽巷的布置層位后，采用數值模擬軟件，模擬抽采負壓分別為1.5kPa、2.5kPa 和3.5kPa 時高抽巷的瓦斯抽采效果。根據數值模擬結果能夠得出，不同抽采負壓下瓦斯抽采效果如表2 所示。

通過具體分析表2 可知，隨著高抽巷瓦斯抽采負壓的增大，高抽巷的混合流量出現逐漸增大、瓦斯的抽采濃度逐漸減小、回風巷內的混合流量及濃度出現減小的趨勢。其中隨著抽采負壓的增大，高抽巷內的抽采混合流量變化較為明顯，而回風巷的混合流量受到抽采負壓的影響較小。根據數值模擬結果看出，抽采負壓增大到3.5kPa 時，打破了工作面采空區的瓦斯平衡，使得漏風量增大?；谏鲜龇治龃_定高抽巷的抽采負壓為2.5kPa。

表2 不同抽采負壓下瓦斯效果數據表

（2）抽采管徑。高抽巷的瓦斯抽采管徑，具體按照下式計算[3-4]：

式中：

d-抽采管路的內徑；

V-經濟流速；

Q-管路內的混合瓦斯流量。

根據15102 工作面的具體情況，確定高抽巷的瓦斯抽采主管選用D820mm×10mm 的螺旋焊接鋼管，采區回風巷的主管路選用D630mm×8mm。

（3）抽采設備。根據抽采設備的選型原則知[5-6]，抽采泵機應選用濕式、防爆的電器設備?；谏鲜鲈瓌t，結合瓦斯抽采系統特征，確定抽采設備規格為40m3/min，安裝功率為900kW 的水環式真空泵2 臺。

3 瓦斯治理效果評價

高抽巷布置平面圖如圖4 所示。

為有效驗證分析15102 工作面高抽巷的瓦斯抽采效果，在工作面進行瓦斯抽采期間，進行長期瓦斯抽采的監測作業。根據監測結果能夠得出瓦斯的絕對涌出量及高抽巷抽采瓦斯所占的比例，具體如圖5 所示。

通過具體分析圖5 可知，在15102 工作面回采期間，隨著工作面回采作業的進行，高抽巷內的瓦斯抽采量及瓦斯抽采濃度均出現逐漸增大的趨勢。其中在3 月18 日后，高抽巷的瓦斯抽采量能夠占到工作面瓦斯涌出量的40%～50%，瓦斯抽采純量在17～27 m3/min 的范圍內，平均瓦斯抽采純量為22 m3/min。

圖4 15102 工作面高抽巷布置位置示意圖

圖5 高抽巷抽采瓦斯量及所占比例曲線圖

根據工作面回采期間瓦斯抽采的監測結果，同樣能夠得出工作面上隅角、回風巷、瓦斯尾巷及工作面的瓦斯濃度變化曲線如圖6 所示。

圖6 工作面區域瓦斯濃度變化曲線圖

通過具體分析圖6 可知，在15102 綜放工作面回采期間，根據監測數據看出采空區及周圍煤巖體內賦存的瓦斯得到有效的抽采。由于高抽巷抽采系統的合理布置，能夠將轉移出的瓦斯有效的抽走，在高抽巷的正常抽采期間，其平均的瓦斯抽采率基本大于40%，回采期間內錯尾巷的瓦斯濃度處于0.9%～2.3%的范圍內，上隅角的瓦斯濃度穩定在0.6%～0.8%的范圍內，工作面進風巷及回風巷的瓦斯濃度均穩定在0.5%～0.6%的范圍內，表明15102工作面高抽巷的瓦斯抽采系統布置合理，能夠進行高效抽采作業，保障工作面安全回采。

4 結論

根據15102 綜放工作面瓦斯賦存及地質條件，利用數值模擬軟件具體分析了高抽巷的合理布置位置及抽采作業時的合理抽采負壓，基于數值模擬結果得出高抽巷的合理位置與煤層頂板垂距為35m，與回風巷平距為40m，確定抽采負壓為2.5kPa，并結合工作面具體情況對抽采系統的其余參數進行設計。根據瓦斯抽采監測結果，高抽巷的瓦斯抽采量能夠占到工作面瓦斯涌出的量的40%～50%，平均的瓦斯抽采純量為22m3/min，工作面無瓦斯超限現象出現，保障了工作面的安全開采。