厚煤層上分層工作面采空區瓦斯治理技術研究

張 學 紅

（山西陽城陽泰集團伏巖煤業有限公司，山西 陽城 048105）

1 工程概況

山西陽城伏巖煤業3203 上分層工作面位于二采區西側，工作面地面標高+858～+923m，井下標高+425～+465m，主采 3# 煤層，煤層均厚為 4.96m，平均傾角為4°，上分層工作面采用綜合機械化采煤方法，采高3.2m。根據礦井地質資料可知3# 煤層屬于煤與瓦斯突出煤層， 煤層原始瓦斯壓力為1.01～1.51MPa， 原 始 瓦 斯 含 量 為 10.81～14.7m3/t。3203 上分層工作面采用雙巷布置，雙巷之間通過橫貫連接，為了貫徹《煤礦安全規程》（2016 版）取消回采工作面專用排瓦斯巷的規定，伏巖煤業從3203上分層工作面開始采用"U" 型通風方式，工作面雙巷間的橫貫采用混凝土墻進行密閉。

3203 上分層工作面現有高位鉆孔瓦斯抽采和本煤層瓦斯抽采系統，但工作面采用U 型通風后，將取消尾部橫貫通風，致使上隅角風流方向發生變化，采空區瓦斯會涌入上隅角，但工作面目前現有的抽采瓦斯系統，無法解決上隅角瓦斯易超限的問題，故需針對現有情況，進行采空區瓦斯的治理。

2 采空區瓦斯抽采方案

2.1 抽采方案設計

工作面上隅角區域易出現瓦斯超限的主要原因為采空區瓦斯向該區域大量涌出，且該區域的局部位置風流不暢，進而致使出現瓦斯超限現象[1- 2]。基于3203 上分層工作面瓦斯賦存特征，確定針對采空區采用" 沿空插管+ 橫貫密閉插管" 相結合抽采方法。

1）沿空插管抽采方法：通過在工作面回風巷內提前布置Φ529mm 的抽采管，在工作面超前支護至工作面上隅角之間外利用Φ600mm 負壓風筒連接抽采管，并將抽采管伸入工作面上隅角密柱后，通過抽采系統進行上隅角附近采空區的瓦斯抽采作業，伸入密柱后的抽采管距頂250mm，距幫250mm，伸入長度不得超過1.5m，同時在上隅角密柱后沿頂搭建風障，減少進入采空區的風量，降低采空區瓦斯向回風流涌出，確保上隅角瓦斯的抽采。

圖1 3203 上分層工作面采空區沿空插管示意圖

2）橫貫密閉插管抽采方法：把Ф529mm 管路敷設到回風巷鄰近巷道，在橫貫密閉上部插入抽放管路直至工作面回風順槽口，抽放管路上安設閥門，當工作面回采到橫貫密閉處，打開閥門利用新增的低負壓抽采系統對采空區進行瓦斯抽采。現在根據實際抽采效果，不斷調整，得到合理的參數。

圖2 橫貫密閉插管示意圖

2.2 抽采效果預測

伏巖煤礦3203 上分層工作面采空區瓦斯采用沿空埋管+ 橫貫密閉插管瓦斯抽采方法，利用地面瓦斯泵站低負壓系統進行抽采，抽采混量約為180m3/min，瓦斯濃度約為2.3%，則抽采純量為4.14 m3/min。同時，考慮到回采工作面之間瓦斯涌出的不均衡性，按照1.2 倍的富裕系數進行計算，預計新增井下臨時瓦斯抽采系統瓦斯抽采純量約為5.0 m3/min。；另外通過考察鄰近礦井的經驗來看，采用上述采空區瓦斯抽采方案，瓦斯濃度基本都能穩定在4%以上。

結合現場實踐以及上隅角瓦斯治理的需求[3-4]，要達到上隅角處有風流流過，并且能夠保證風流的穩定，最終確定回采工作面采空區抽采瓦斯純量為5.0m3/min，瓦斯濃度為4%。

2.3 瓦斯排放地點的選擇

3203 上分層工作面采空區瓦斯抽采系統所抽采的瓦斯若排放到回風巷中，則會引起回風巷排入的瓦斯量過大出現瓦斯超限現象，因此，為了最大限度保證回風巷瓦斯安全，同時考慮到抽采泵能力的限制，設計3203 采空區采用沿空插管+ 橫貫密閉插管抽采的瓦斯排放到東翼采區回風巷內，再經總回風巷由回風立井直接排到地面，現通過理論計算具體驗證瓦斯排放點設置在東翼采區回風巷內的合理性：

回風巷能解決的瓦斯量以下式表示：

式中：Q0為回風巷風量，m3/min；C 為《煤礦安全規程》允許的總回風巷瓦斯濃度，0.75%，本設計取0.7%。K 為瓦斯涌出不均衡系數，取K=1.2；Q 為礦井瓦斯涌出量，m3/min；

東翼采區回風巷風量約為4200m3/min，回風巷允許瓦斯濃度按0.7%計算，通風能解決的瓦斯量為：Q=4200×0.7/100/1.2=24.5m3/min。

3203 上分層工作面回采期間，東翼采區回風巷回風流瓦斯濃度約為0.3%，風排瓦斯量為15.9 m3/min，如果增加井下臨時泵站抽采5m3/min，風排瓦斯量為20.9m3/min，小于東翼采區回風巷風排瓦斯能力24.5m3/min。由以上計算可知，伏巖煤礦東翼采區回風巷配風量能夠滿足稀釋瓦斯涌出的要求，因此3203 上分層工作面采空區瓦斯抽采系統可以將抽出的瓦斯直接排到東翼采區回風巷中。

2.4 抽采管路的選擇及布置

抽采瓦斯管徑選擇是否合理，對抽采瓦斯系統的建設投資及抽采系統效果有很大影響[5-6]。在進行抽采系統管徑選型作業時，具體抽采瓦斯管內徑D計算表達式為：

式中：D 為抽采瓦斯管內徑，m；V 為抽采管內瓦斯平均流速，經濟流速V＝5～12m/s；Q 為抽采管內混合瓦斯流量，m3/min。

3203 上分層工作面采空區抽采系統分為正壓段和負壓段，其中由總回風巷到抽采泵站區域為正壓段，抽采泵站到回風順槽埋管支管管口為負壓段。根據上述采空區瓦斯量預計結果，具體3203 上分層工作面采空區瓦斯抽采系統管徑選擇結果如表1 所示。

基于表1 中的數據可知，沿空插管抽采+ 橫貫密閉插管抽采管路選用Ф529×6mm 螺旋焊縫鋼管，匯集到東翼采區回風巷內的瓦斯抽采干管使用Ф820×8mm 螺旋焊縫鋼管。

表1 抽采系統瓦斯管徑選擇結果

抽采瓦斯系統管網敷設路線為：工作面回風順槽支管→東翼采區回風巷干管→井下臨時抽采瓦斯泵站→回風巷干管，具體如圖3 所示。

圖3 采空區瓦斯抽采管路布置示意圖

3 瓦斯治理效果

為分析3203 上分層工作面采空區瓦斯抽采效果，工作面回采期間持續進行上隅角區域瓦斯含量的測定作業，根據監測所得的上隅角瓦斯含量數據，能夠繪制出上隅角瓦斯含量與工作面推進距離之間的關系曲線，如圖4 所示。

圖4 3203 上分層工作面回采期間上隅角瓦斯濃度曲線圖

根據圖中的曲線可知，監測期間上隅角的瓦斯含量穩定在0.18%～0.75%的范圍內。另外從圖中能夠看出，工作面上隅角瓦斯含量出現波動的現象，出現這種現象的主要原因為隨著工作面回采作業的進行，采空區的面積會逐漸加大，橫貫密閉插管對上隅角的瓦斯濃度的控制效果逐漸減弱，從而出現瓦斯含量上升的現象；隨著工作面回采作業繼續進行，工作面與下一個橫貫密閉插管間距離逐漸縮短，橫貫密閉插管抽采對工作面上隅角瓦斯含量的控制效果又出現提升的現象，致使上隅角的瓦斯含量出現下降。綜合上述分析可知，在3203 上分層工作面采用采空區瓦斯抽采技術后，工作面上隅角瓦斯濃度始終維持在0.8%以下，無瓦斯超限現象出現。

4 結 論

根據3203 上分層工作面的巷道布置及通風方式，結合工作面地質條件，設計工作面采空區瓦斯抽采采用沿空插管+ 橫貫密閉插管抽采，并通過具體分析確定抽采地點及抽采管路直徑。根據工作面回采期間上隅角瓦斯含量的監測結果得出，采空區抽采技術實施后，上隅角無瓦斯超限現象出現，為工作面的安全回采提供了保障。