24102采面采空區瓦斯治理方案與效果

張亞軍

（潞安集團潞寧煤業有限責任公司，山西 寧武 036700）

1 工程概況

山西潞安集團潞寧煤業公司24102 工作面位于井田西南部，工作面傾斜長度236 m，走向長度為2 582 m。工作面開采2#煤層，煤層平均厚度為3.28 m，平均傾角為5°。煤層直接頂為泥巖，厚度為3.0～7.3 m，基本頂為細粒砂巖，厚度為15 m，底板巖層主要為泥巖和砂質泥巖。工作面采用一次采全高施工工藝，全部垮落法管理頂板。

山西潞安集團潞寧煤業公司屬高瓦斯礦井。根據礦井地質資料可知，2#煤層自燃等級為Ⅱ級，煤塵具有爆炸性，煤層原始瓦斯含量為3 m3/t，瓦斯壓力為0.347 MPa。24102 工作面采用U 型通風，根據工作面的瓦斯監測數據得出工作面平均瓦斯涌出量為5.76 m3/min，為有效治理24102 工作面采空區瓦斯，特進行采空區瓦斯治理技術探討。

2 采空區瓦斯運移規律

高位抽采鉆孔：高位抽采鉆孔即為通過鉆場向采空區的上方施工傾斜向上的鉆孔，利用礦山壓力作用下頂板形成的裂隙作為抽采的主要通道，通過鉆孔將采空區內積聚的瓦斯抽放到地面，以此防止采空區內的瓦斯在風流的作用下通過回風側煤壁進入到回風順槽內，進而有效控制工作面上隅角的瓦斯濃度，達到有效治理采空區內瓦斯的目的[1-2]。

為掌握24102 工作面“采空區高位鉆孔+ 回風隅角埋管抽采”方案下的瓦斯運移規律，采用FLUENT 數值軟件建立數值模型。模型中將采空區視為多孔介質[3-4]，根據工作面的瓦斯抽采方案，在模型的回風順槽內布置高位鉆孔。鉆孔間距為2 m，鉆孔形狀為圓形，尺寸為0.1 m×0.1 m。設置采空區高位鉆孔和回風隅角埋管的抽采負壓分別為20 kPa、10 kPa，模型參數見表1。

表1 數值模擬模型參數

在進行模擬作業時，設置工作面運輸順槽為風流的入口，配風量為2 240 m3/min，按照溫度為300 K時進行折算，得出空氣質量流量為43.94 kg/s，設置回風順槽為風流自由出口[5-6]，其他各項物理參數賦值情況見表2。

表2 各區帶數值模擬參數

基于上述數值模型，具體模擬工作面采用高位鉆孔+回風隅角埋管抽采情況下采空區瓦斯分布規律見圖1。

圖1 瓦斯濃度分布云圖

分析圖1 可知，采空區瓦斯濃度沿著工作面走向方向，隨著深入采空區距離的增大，呈現出逐漸增高的現象，且采空區深部的瓦斯濃度基本在27%。另外，采空區采用高位鉆孔和回風隅角埋管抽采時，回風隅角區域的瓦斯濃度相對穩定。

在工作面傾向上，采空區的瓦斯主要被高位鉆孔和埋管兩處抽采通道抽出，由于高位鉆孔與埋管在埋設層位、抽采區域方面存在一定的差異，故采空區內局部位置存在瓦斯濃度較高的情況；另外由于高位鉆孔的瓦斯抽采作業，使得采空區內的高瓦斯區域的面積逐漸減小，瓦斯聚集區向著采空區的深部轉移。

在工作面的垂直高度上，工作面回采后，頂板覆巖逐漸發生垮落卸壓，采空區瓦斯會順著覆巖裂隙逐漸向上移動，到達高位鉆孔控制抽采區域后，被高位鉆孔持續抽出，瓦斯濃度在垂直方向上表現為隨著高度的增大，瓦斯濃度的增加梯度逐漸減小的趨勢，且回風隅角區域的瓦斯濃度也相較于未抽采時出現較大幅度的降低。

綜合上述分析可知，工作面采用高位鉆孔+ 回風隅角埋管相結合的抽采方式，進行采空區瓦斯治理，可以取得良好的效果。

3 瓦斯治理技術

3.1 抽采方案設計

（1）潞寧煤業的現場工程實踐結果表明，當2#煤層回采工作面推進一定距離后，在頂板0～30 m的范圍內會形成大量的穿層裂隙，頂板30 m 以上的巖層主要發育離層裂隙。由于裂隙帶為瓦斯運移提供了橫向運移的主要通道，該區域聚集一定程度的高濃度瓦斯，故設計高位鉆孔的終孔層位位于離層裂隙區域內。

基于上述分析，確定在工作面回風順槽內布置高位鉆孔。首個高位鉆孔在距離工作面開切眼95 m 的位置處施工，隨后沿著巷道走向每間隔2 m 布置一個高位鉆孔，以5 個高位鉆孔為一組；鉆孔終孔于煤層頂板30～40 m 的范圍內，與回風順槽間的平距在30～60 m 的范圍內。高位鉆孔各項參數見表3，高位鉆孔的布置形式見圖2。

表3 高位鉆孔布置參數數據

圖2 高位鉆孔布置平面

（2）回風隅角埋管抽采：工作面回風巷內布置Φ529 mm 管路，一端插入采空區內，另一端利用Φ600 mm 負壓風筒連接工作面抽采支管，以此進行工作面回風隅角附近采空區的瓦斯抽采作業，使采面采空區瓦斯向回風側流出，解決上隅角瓦斯易超限的問題。

3.2 效果分析

圖3 采空區瓦斯治理效果分析

為考察分析24102 工作面采空區“高位鉆孔+回風隅角埋管抽采”方案的應用效果，在方案實施期間進行瓦斯抽采各項參數的監測分析，并在抽采實施后進行工作面各個區域瓦斯濃度的測試作業。2018年6月29日—8月8日監測、測試數據及分析結果見圖3：圖3（a）工作面各個區域瓦斯濃度曲線、圖3（b）瓦斯抽采純量、圖3（c）瓦斯抽采率。

分析圖3 可知，24102 工作面采用高位鉆孔+埋管抽采的方式進行采空區瓦斯治理后，工作面上隅角及回風巷內的瓦斯濃度出現明顯的降低趨勢；從圖（a）可知，回采期間工作面各區域的瓦斯濃度均處于合理范圍內，其中上隅角的瓦斯濃度始終穩定在0.1%～0.5%的范圍內，無瓦斯超限現象出現；從圖3（b）可知，埋管抽采和高位鉆孔的瓦斯抽采純量分別在0.8～2.5 m3/min 和0.5～2.0 m3/min；從圖3（c）可知，工作面采用高位鉆孔+埋管抽采瓦斯治理措施后，瓦斯的抽采率均在30%以上。

基于上述分析可知，高位鉆孔+ 埋管方式抽采瓦斯效果顯著。

4 結語

1）數值模擬軟件分析工作面采用高位鉆孔+回風隅角埋管抽采方式下采空區瓦斯運移規律可知，采空區瓦斯濃度沿著工作面走向方向，隨著深入采空區距離的增大，呈現出逐漸增高的現象，且采空區深部的瓦斯濃度基本在27%。

2）基于數值模擬結果，確定工作面采用高位鉆孔+ 回風隅角埋管抽采的方式進行采空區瓦斯治理，設計高位鉆孔的終孔層位位于離層裂隙區域內，并結合工作面特征進行抽采各項參數的設計。

3）高位鉆孔+回風隅角埋管抽采瓦斯方案實施后，工作面回采期間回風隅角的瓦斯濃度始終穩定在0.1%～0.5%的范圍內，抽采方案有效治理了采空區的瓦斯，保障了工作面的安全回采。