301 工作面均壓抽放采空區(qū)瓦斯技術(shù)實(shí)踐

趙 強(qiáng)

（山西蘭花煤層氣有限公司，山西 晉城 048000）

山西蘭花集團(tuán)亞美大寧煤礦采空區(qū)瓦斯涌出量占礦井總瓦斯涌出量的42%，井下工作面與采空區(qū)之間的氣壓易受擾動(dòng)，采空區(qū)內(nèi)瓦斯極可能涌向工作面或相鄰巷道，從而造成瓦斯超限，存在嚴(yán)重的安全隱患，必須及時(shí)治理。山西蘭花煤層氣有限公司是蘭花集團(tuán)控股的股份制公司，從事瓦斯治理、煤層氣開(kāi)發(fā)利用等技術(shù)服務(wù)工作，受集團(tuán)公司委托對(duì)大寧煤礦井下工作面采空區(qū)瓦斯進(jìn)行治理。

1 工作面概況

大寧煤礦煤炭?jī)?chǔ)量約為2.16 億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400 萬(wàn)t/a，主采3#煤層。301 工作面走向長(zhǎng)1651 m，傾向?qū)?45 m，順槽長(zhǎng)度175 m。3#煤厚度3.0～5.5 m，一般4.7 m 左右，煤層結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，有2～4 層不穩(wěn)定夾矸，厚度0.05～0.15 m 不等。煤層傾角2～8°，平均5°。具體頂板巖性情況如下：偽頂厚0～0.3 m，炭質(zhì)泥巖，厚度和分布范圍不穩(wěn)定；直接頂為泥巖、粉砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖互層組成的復(fù)合頂板，厚10～13.0 m，巖性變異性較大，垂直裂隙和層理發(fā)育；老頂以中厚層砂巖為主，夾薄層泥巖，正常區(qū)段穩(wěn)定性較好。

301 工作面采用兩進(jìn)一回的Y 形通風(fēng)方式，主進(jìn)風(fēng)巷與運(yùn)料巷為進(jìn)風(fēng)巷，運(yùn)料巷沿空留巷部分為回風(fēng)巷，如圖1 所示。基于主進(jìn)風(fēng)巷壓能高于副進(jìn)風(fēng)巷壓能，因此采空區(qū)聚集的高濃度瓦斯容易涌向回風(fēng)巷，造成瓦斯超限。301 工作面上覆5#煤層具有突出危險(xiǎn)性，5#煤層受301 保護(hù)層采動(dòng)影響，瓦斯會(huì)大量涌向301 工作面采空區(qū)，造成瓦斯積聚，因此嚴(yán)重影響了301 工作面回采速度，必須及時(shí)進(jìn)行治理。本文采用理論分析與數(shù)值模擬對(duì)各種均壓抽放法抑制Y 形通風(fēng)條件下采空區(qū)瓦斯涌出的方案進(jìn)行可行性研究，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定了合理的實(shí)施方案。

圖1 301 工作面布置及密閉位置示意圖

2 均壓抽放采空區(qū)瓦斯模擬試驗(yàn)

2.1 均壓抽放采空區(qū)瓦斯原理

均壓抽放的實(shí)質(zhì)是通過(guò)密閉采空區(qū)改變主進(jìn)風(fēng)巷漏風(fēng)和采空區(qū)兩側(cè)風(fēng)壓，進(jìn)而改變采空區(qū)瓦斯分布，同時(shí)配以移動(dòng)泵采空區(qū)埋管進(jìn)行瓦斯抽放，調(diào)節(jié)采空區(qū)兩側(cè)壓能，從而達(dá)到減少采空區(qū)瓦斯涌向回風(fēng)巷的目的。針對(duì)301 工作面具體情況，對(duì)Y 形通風(fēng)下采空區(qū)瓦斯分布進(jìn)行數(shù)值模擬分析各種均壓抽放方案的瓦斯治理效果，確定最優(yōu)方案。

2.2 均壓抽放采空區(qū)瓦斯模擬

2.2.1 建立計(jì)算模型

研究對(duì)象的區(qū)域物理模型如圖2 所示，采空區(qū)范圍開(kāi)切眼沿走向100 m，沿傾向150 m，寬為3.4 m，區(qū)域孔率取平均值，采用“兩進(jìn)一回”Y 形通風(fēng)方式，風(fēng)量1120 m3/min。

圖2 計(jì)算區(qū)域物理模型

2.2.2 模擬參數(shù)

區(qū)域內(nèi)瓦斯涌出源項(xiàng)瓦斯涌出總量按25 m3/min進(jìn)行折算，煤體耗氧速率取1.52×10-5kg/（m3·s），抽放負(fù)壓取10 kPa，為達(dá)到均壓抽放瓦斯效果，考慮在巷道兩側(cè)設(shè)置密閉墻。

2.2.3 模擬結(jié)果分析

（1）A 和D 處設(shè)置密閉墻的計(jì)算結(jié)果

A、D 處同時(shí)布置密閉墻，計(jì)算可知抽放口瓦斯主要來(lái)自采空區(qū)下部。主要原因是：在抽放條件下，抽放口至運(yùn)料巷的區(qū)域中存在低壓區(qū)，運(yùn)料巷中的空氣在壓差作用下流入抽放口，干擾抽放效果，導(dǎo)致工作面的大量風(fēng)流向采空區(qū)泄漏。

同理，從A，C、D 處同時(shí)布置密閉墻時(shí)的瓦斯分布狀態(tài)可知，這種方案也不能阻止運(yùn)料巷空氣流入抽放口。因此為提升均壓抽放效果，須縮減上部進(jìn)風(fēng)口與抽放口之間的壓差，減少漏風(fēng)。

（2）在B 和C 處設(shè)置密閉墻的計(jì)算結(jié)果

將密閉墻布置在B 和C 處，即“兩內(nèi)墻”方式，從瓦斯分布狀態(tài)情況可知，進(jìn)風(fēng)巷距抽放口較近，會(huì)對(duì)抽放口產(chǎn)生干擾，風(fēng)流穿過(guò)采空區(qū)，繞過(guò)內(nèi)墻流入抽放口，導(dǎo)致抽放濃度偏低。

同理，即使在開(kāi)切眼同時(shí)安裝內(nèi)墻外墻，即在A、B 和C 處布置密閉墻，也會(huì)導(dǎo)致上述情況發(fā)生。因此無(wú)論哪種布置方式，必須在主進(jìn)風(fēng)巷與工作面的交匯處（D 處）設(shè)置密閉墻，將留巷封閉。

（3）A、B、C 和D 處同時(shí)布置密閉墻的計(jì)算結(jié)果

在A、B、C 和D 處同時(shí)布置密閉墻，計(jì)算“內(nèi)外雙墻”方式下壓力分布和漏風(fēng)方向。從瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)可知，采空區(qū)漏風(fēng)有兩部分，即主進(jìn)風(fēng)巷繞過(guò)密閉墻進(jìn)入采空區(qū)，然后進(jìn)入抽放口；回風(fēng)巷內(nèi)空氣進(jìn)入采空區(qū)，沿開(kāi)切眼進(jìn)入抽放口。B 處加裝密閉墻起到均壓作用，運(yùn)料巷向抽放口的漏風(fēng)小于其他布置方式，主進(jìn)風(fēng)巷不會(huì)對(duì)抽放口產(chǎn)生干擾。在B 處和C 處布置內(nèi)墻可促使抽放負(fù)壓集中，抽放濃度比較高，布置方式合理。

2.2.4 均壓密閉方案選擇

通過(guò)理論計(jì)算與Fluent 數(shù)值模擬得到：在A、B、C 和D 處同時(shí)筑密閉墻能起到均壓的作用，即在留巷與切眼交匯處的兩側(cè)，主進(jìn)風(fēng)巷與工作面交匯處、開(kāi)切眼與回風(fēng)巷交匯處分別設(shè)置密閉，同時(shí)在留巷一側(cè)安裝移動(dòng)泵，埋管抽放采空區(qū)的瓦斯，降低主進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)側(cè)壓，改變采空區(qū)中的瓦斯流向，抑制采空區(qū)瓦斯涌向回風(fēng)巷，從而杜絕回風(fēng)巷瓦斯超限的目的。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐應(yīng)用

為防止由于漏風(fēng)而引起的采空區(qū)自然發(fā)火，采用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)氣體成分進(jìn)樣采樣、監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)采空區(qū)氣體成分出現(xiàn)異常變化，尤其是CO 氣體濃度明顯增加，應(yīng)立刻停止抽放，分析原因，采取相對(duì)應(yīng)的防滅火措施。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)瓦斯抽放濃度監(jiān)測(cè)，若瓦斯抽放濃度低于20%，為保證抽放效果應(yīng)停止抽放。

3 效果分析

均壓抽放瓦斯的方案，在301 工作面采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得了顯著的效果，采空區(qū)瓦斯抽放濃度維持在26%以上，瓦斯抽放純量為7.5 m3/min 時(shí)，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛让黠@降低，由均壓密閉進(jìn)行抽放前的平均0.53%，降低為平均0.28%，風(fēng)排瓦斯量減少了2.35 m3/mm。

4 結(jié)論

（1）采用模擬對(duì)比的方法分析了不同均壓抽放方案的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了均壓抽放法抑制采空區(qū)瓦斯涌出的具體方案。在主進(jìn)風(fēng)巷留巷與老切眼交匯處兩側(cè)，主進(jìn)風(fēng)巷與回采面交匯處、老切眼留巷與回風(fēng)巷留巷交匯處分別進(jìn)行密閉，同時(shí)安裝移動(dòng)泵在主進(jìn)風(fēng)巷留巷一側(cè)采空區(qū)埋管抽放瓦斯。

（2）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到301 工作面采空區(qū)瓦斯抽放純量為7.5 m3/min 左右，抽放濃度維持在26%以上，Y 形回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扔删鶋好荛]抽放前的平均0.53%降低為平均0.28%，風(fēng)排瓦斯量減少了2.35 m3/min，消除了Y 形回風(fēng)巷瓦期超限的安全隱患。