堅硬頂板綜放工作面瓦斯治理技術研究

趙若鵬

（西山煤電集團有限責任公司 鎮城底礦，山西 太原030000）

0 引 言

在礦井開采過程中，瓦斯問題一直威脅著礦山的安全，據統計21世紀由瓦斯引起的事故占據了3成左右。隨著礦山機械設備的不斷更新，礦井的開采速度不斷加速，礦井的瓦斯治理難度不斷加大。尤其是對于堅硬頂板方面，上隅角及風巷位置常常出現瓦斯聚集，嚴重影響著礦井的正常開采[1-2]。針對瓦斯治理難的問題，眾多國內學者進行過一定的研究，此前黃旭超[3]為解決以往條帶瓦斯預抽鉆孔抽采濃度低、工程量大等問題，提出定向長鉆孔瓦斯抽采技術通過施加4個定向長鉆孔，單日瓦斯的抽采濃度最大高達73.8%，抽采純量提升至23 017 m3/d，有效實現了定向條帶的區域消突。張春璞[4]為消除煤層瓦斯突出的危險性，采用順槽鉆孔預抽技術來解決煤層瓦斯問題。通過對技術的實施及現場實踐，確保了綜采工作面的高效生產，提升了礦山經濟效益。本文以鎮城底礦28620工作面為研究背景，通過對工作面瓦斯涌出規律的研究，制定了相應的工作面上隅角瓦斯治理方案，為礦井瓦斯治理提供一定的參考及借鑒。

1 礦井概況及數值模擬研究

鎮城底礦位于山西省古交市西北處，井田面積約16.63 km2，年設計生產能力為190萬t。28620工作面地表位于王家坡村（已搬遷）以南，十字巖村（已搬遷）東北，元家山村（已搬遷）以東，興能電廠排灰通道下方，地表溝谷縱橫，地表標高1 140—1 248 m，蓋山厚度為412～575 m，工作面周邊有T4、435兩個煤田地質鉆孔，無煤層氣孔、水源井和小窯。工作面井下位于南六下組采區，為南六下組采區首采工作面，南鄰礦界，北東接下組煤回風、皮帶、軌道巷，北東為28615工作面（現掘），其它為未采區。工作面上部2.3號煤工作面有22618工作面（已采）、22620（已采）和22620-1工作面（已采），工作面與上組煤2.3號煤層間距平均為79 m。

28620工作面回采過程中，由于工作面堅硬頂板的存在，造成采空區形成空腔，同時考慮到工作面采用放頂煤開采技術，使得采空區瓦斯賦存情況十分嚴重。當采空區出現冒頂時，采空區的瓦斯被大量擠出，嚴重影響工作面的安全。為了解決工作面開采初期的瓦斯超限問題，臨時設置有抽采系統，通過埋管、插管來實現瓦斯抽采，但效果不佳[5-6]。

通過對工作面瓦斯含量進行測定可知，在回風巷的最大濃度約為0.42%～0.88%，一般平均濃度在0.3%～0.46%，上隅角的瓦斯濃度為0.68%～1.4%，一般平均濃度在0.45%～0.62%，再生產過程中上隅角瓦斯超限和工作面瓦斯超限分別出現19次和7次，因此解決瓦斯超限十分重要[7]。

2 數值模擬研究

為了更好的治理瓦斯超限問題，本文利用數值模擬軟件對瓦斯運移規律進行一定的分析，首先在進行模型建立，采空區視為多孔介質，在采空區的瓦斯流動均遵循質量、能量、動量守恒定律。在采空區回采過程中，礦井設備、漏風等因素均會影響瓦斯運移規律的研究，本文作出如下假設，空氣不可壓縮；巷道為標準巷道，不考慮設備及變形的影響；不考慮采空區的漏風情況。建立進風巷長寬高分別為200、5、3 m；回風巷的長寬高分別設定為200、4、3 m；中間巷的長寬高分別為200、3.8、2.6 m。模型的冒落帶和裂隙帶分別設定為16.23 m和53.28 m。完成模型設定后對模型進行參數的設定。重力為9.8 N/kg，混合氣體中的瓦斯密度設定為0.71 kg/m3，模擬采用質量入口邊界，設定進風巷的風量為930 m3/min，進風巷的風量為19 kg/s，中間巷的空氣密度為1.232 kg/m3，進風量為279 m3/min。模擬結果如圖1所示。

圖1 瓦斯分布濃度云圖Fig.1 Cloud of gas distribution and concentration

由圖1可以看出，工作面下部的采空區進風巷的淺部位置瓦斯濃度較小，而在工作面回風側的深部濃度較高。根據走向的瓦斯分布規律可以看出，隨著采空區寬度的增大，瓦斯濃度呈現出增大的趨勢，但當采空區與工作面的距離增大到一定的程度時，此時的瓦斯濃度逐步趨于穩定。而在回風側，隨著采空區向著深部延伸過程中瓦斯濃度呈現逐步增大的趨勢，瓦斯濃度分布面積也增大，同時對比可以看出，回風側的瓦斯濃度明顯更大。這主要是由于采空區的瓦斯濃度受到回風巷和進風巷的影響，越靠近回風巷的位置采空區瓦斯涌出量越大。根據層位和傾向的瓦斯濃度分布情況可以看出，層位越高，瓦斯濃度越大，這是由于質量密度決定的，瓦斯比重較低，浮于空氣，所以層位越高瓦斯濃度越大[8-9]。而在傾向方向上由于風流的影響使得進風側采空區的瓦斯濃度低于回風側采空區濃度。采空區的瓦斯濃度分布是不對稱的，越靠近上隅角位置的采空區瓦斯濃度越大，在距離工作面較遠的采空區，由于風流影響較小，瓦斯濃度分布逐步趨于對稱。

3 瓦斯治理研究

可以看出堅硬頂板綜方面的采空區瓦斯大量聚集，同時瓦斯主要集中在采空區回風側和頂端位置，在礦井正常生產過程中，采空區瓦斯隨著風流涌入工作面，造成瓦斯超限。

在進行瓦斯治理時，首先需要進行合理的配風，當配風量較小時，工作面的瓦斯無法有效帶出，當配風量較大時，則會增大采空區的漏風，因此要進行合理的配風[10]。在采空區進行埋管設計，在工作面的回風側上端鋪設1條管理，同時在距工作面開切眼40 m的位置布置彎管，在巷道的頂部設置三通風叉，用篩網對抽采管口進行保護。在回風巷抽采管道設置3～5個出口，同時利用長度10 m的鋼絲橡膠管進行支路連接。采空區埋管、插管聯合布置示意如2所示。

圖2 采空區插管埋管聯合布置示意Fig.2 Joint arrangement of cannulated and buried pipes in goaf

根據設計方法進行施工，對采空區瓦斯進行抽采，為了驗證方案的可行性，對抽采氣體的含量及指標進行一定的統計研究，首先對臨時泵的抽采數據進行分析。混合流量及抽采瓦斯濃度統計圖如3所示。

由圖3可知，移動泵站的主管路抽采的流量為32.99～54.92 m3/min，管路超粗愛的瓦斯濃度平均比例約為2.64%，主管路的最大抽采濃度占比為3.57%，采空區瓦斯的抽采量總值為52 385.9 m3。瓦斯抽采隨著工作面的推進，瓦斯抽采率大部分超過20%，僅僅在工作面推進至380 m附近時瓦斯抽采率低于20%，這是由于隨著工作面的推進，鉆孔抽采的效果逐步降低，整體瓦斯抽采效果較好。

圖3 瓦斯抽采參數統計Fig.3 Statistics of gas extraction parameters

4 結 論

（1）通過對鎮城底礦28620工作面原有瓦斯量進行分析，給出為了相應的數值模擬模型，為工作面瓦斯運移研究打下基礎。

（2）通過對工作面瓦斯運移規律進行研究發現，工作面下部的采空區進風巷的淺部位置瓦斯濃度較小，而在工作面回風側的深部濃度較高。

（3）給出為了相應的瓦斯治理方案，通過現場實踐，發現整體瓦斯抽采效率均大于20%，瓦斯抽采效果較好。