采空區瓦斯運移規律與治理技術研究

蔣 磊

(晉能控股集團 投資計劃部，山西 大同 037000)

1 工程概況

同煤集團煤峪口礦81004工作面位于410盤區，北部為81002工作面采空區，東部為井田邊界保護煤柱，西部為410盤區大巷。工作面上覆為11-12號煤合并層采空區，與81004工作面間的間距為0.8～12.5 m，工作面切眼長度140.3 m，可采長度為885 m，開采14-2號煤層，平均厚度2.97 m，平均傾角2°。頂板巖層為細砂巖和砂質泥巖，底板巖層為細砂巖和泥巖。根據礦井地質資料可知，14-2號煤層與其上鄰11-12號煤層屬近距離煤層，其上部煤層已回采完畢，采空區內積存著大量瓦斯，瓦斯總量約為207 925 m3，81004工作面回采期間上覆采空區的瓦斯會涌向工作面區域，為有效治理工作面回采期間涌出的瓦斯，進行采空區瓦斯治理技術研究。

2 采空區瓦斯運移規律

2.1 建立數值模型

為有效分析81004工作面回采期間采空區的瓦斯運移規律，基于工作面的地質條件，采用Fluent數值模擬軟件，建立數值模擬模型，模型中設置工作面開切眼和回采巷道，其中設置進風巷和回風巷的長×寬×高=120 m×4 m×3 m，工作面的長度設置為140 m。為方便研究作業的進行，模型中僅考慮采空區漏風、瓦斯抽采系統及回風巷對采空區內瓦斯分布規律的影響[1-2]，假設14-2號煤層工作面回采巷道及采空區在傾斜方向內錯11-12號合并層采空區兩側各4 m。根據垮落帶高度的計算公式為：

(1)

式中：h為煤層厚度，m；Kp為垮落到采空區巖層的碎脹系數；△為回采不徹底遺煤引起的充填厚度；c為總采出率；km為垮落頂煤碎脹系數。

基于上述數據能夠計算得出11-12號合并層和14-2號煤層開采后垮落帶的高度分別為31.98 m和49.2 m，進一步結合采空區覆巖運動規律的相似模擬結果，確定采空區上覆巖層各帶的分布形式見表1，具體數值模型結構示意如圖1所示。

圖1 復合采空區沿走向數值模型結構示意

表1 81004工作面采空區模型參數

本次數值模擬主要分析采空區在不同風量和不同瓦斯抽采量情況下采空區瓦斯的運移規律。

2.2 采空區不同風量情況下的瓦斯分布

為防止工作面回采期間上隅角瓦斯發生超限事故，需要找到適合工作面的配風量，結合礦井工程實踐和眾多研究結論[3-5]，根據鄰近工作面在配風量為600 m3/min時上隅角瓦斯易超限，故進行工作面在配風量為700 m3/min和800 m3/min時，分析采空區瓦斯運移規律，根據數值模擬結果得出，不同風量下采空區瓦斯運移規律分布云圖(見圖2)。

圖2 工作面不同配風量下采空區瓦斯分布云圖

分析圖2(a)可知，在工作面配風量為700 m3/min時，隨著向采空區漏風強度的逐漸增大，在工作面沿傾向、走向和豎直方向上，工作面瓦斯濃度較低區域的范圍逐漸擴大。基于數值模擬結果可知，工作面在該配風量情況下，上隅角的瓦斯濃度仍存在超限現象，上隅角的瓦斯濃度在2.9%以上，即工作面在不采用抽采方案時，上隅角瓦斯超限在該配風量時未得到解決。

分析圖2(b)可知，在工作面配風量為800 m3/min時，采空區漏風強度進一步增大，采空區內瓦斯濃度進一步降低，但上隅角瓦斯濃度仍處于超限狀態，在3.33%～3.75%的范圍內，與配風量為700 m3/min時上隅角瓦斯濃度相比，出現了增大現象，主要原因為配風量增大，采空區漏風強度增大，進而導致采空區進風側的瓦斯在風流作用下被吹到采空區回風側，進而造成上隅角瓦斯濃度出現超限現象。

綜合上述分析可知，工作面在配風量由700 m3/min增大為800 m3/min時工作面上隅角瓦斯濃度出現增大的現象，結合采空區瓦斯分布云圖，綜合確定工作面配風量選用700 m3/min。

2.3 采空區不同抽采量下的瓦斯分布

設置工作面配風量為700 m3/min時，采用抽采的方式解決工作面上隅角瓦斯易超限的問題，上隅角布置巷道超前導流鉆孔(即在回風巷距離工作面一定距離頂板實施垂直于頂板的穿層鉆孔，針對11-12號煤層的采空區瓦斯進行瓦斯抽采)，鉆孔布置在回風巷上隅角的區域，一端埋入采空區，一端接入抽采系統，分別模擬抽采量為40 m3/min、60 m3/min和90 m3/min下采空區瓦斯濃度分布，根據模擬結果，得出不同抽采方案下工作面及采空區瓦斯濃度分布規律(見圖3)。

圖3 不同瓦斯抽采量下瓦斯分布云圖

分析圖3可知，在抽采量為40 m3/min時，工作面回風巷內瓦斯濃度下降2.08%，上隅角瓦斯濃度降低0.6%，但仍處于超限狀態；在抽采量為60 m3/min時，采空區內的瓦斯濃度進一步減小，上隅角瓦斯濃度逐漸降低，最大值為1.12%，仍處于瓦斯預警狀態；當抽采量進一步增大為90 m3/min時，此時上隅角瓦斯濃度大幅降低，瓦斯濃度在0.2%～0.6%的范圍內，有效解決了工作面上隅角瓦斯濃度超限的問題。

3 瓦斯治理技術與效果

3.1 瓦斯治理技術

根據81004工作面的地質及賦存條件，結合上述數值模擬結果，確定工作面配風量為700 m3/min，采用巷道超前導流鉆孔進行采空區抽采作業，抽采方式采用邊采邊抽[6]，即在工作面回風巷內布置鉆場，向上覆11-12號煤層打設穿層鉆孔，通過井下抽采泵站進行采空區瓦斯抽采作業，具體抽采方案布置方式如圖4所示。

圖4 巷道超前鉆孔導流抽采布置示意

超前導流抽采鉆孔在回風巷內布置，從距切眼70 m的位置處開始布置，每間隔100 m布置一組，具體鉆孔參數見表2，抽采鉆孔封孔采用封固劑，設置封孔長度為3 m，封孔管安裝控制閥門和三通卸壓閥。

表2 巷道超前鉆孔導流抽采參數

3.2 效果分析

在81004工作面回采期間，通過對鉆孔抽采數據的監測分析，得出巷道超前導流鉆孔抽采濃度和抽采純量的變化曲線，如圖5所示。

圖5 超前導流鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量曲線

分析圖5可知，工作面采空區采用巷道超前導流鉆孔瓦斯抽采方案時，瓦斯抽采濃度平均為3%，抽采純量為1.9 m3/min。在抽采方案實施后，工作面瓦斯絕對量為3.1 m3/min，抽出率達到61%.

另外，根據工作面回采期間的上隅角和回風巷中瓦斯濃度監測分析可知，工作面采用巷道超前導流抽采方案后，回采期間上隅角瓦斯濃度在0.01%～0.34%的范圍內，無瓦斯超限現象出現，保障了工作面的安全高效開采。

4 結 語

根據81004工作面與上覆11-12號煤層合并層采空區的空間關系，通過數值模擬軟件進行不同配風量和不同抽采量下采空區瓦斯分布規律的分析，結合數值模擬結果和地質條件，設計工作面采用巷道超前導流鉆孔的方式進行采空區瓦斯治理，根據抽采方案實施后的效果分析可知，工作面回采期間上隅角無瓦斯超限現象，保障了工作面的安全開采。