玉溪煤礦1302工作面瓦斯運移規律及抽采技術研究

任美晶

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 晉城 048200）

1 工程概況

山西蘭花科創玉溪煤礦1302工作面位于3號煤層一盤區，工作面平均埋深為560 m，開采山西下部的3號煤層，煤層均厚5.85 m，煤層內部含有一層夾矸，夾矸平均厚度0.28 m，煤層頂板巖層為泥巖和中粒砂巖，底板巖層為泥巖和砂質泥巖；工作面采用大采高一次采全高采煤工藝進行回采作業，全部垮落法管理頂板。根據礦井地質資料知，3號煤層平均瓦斯含量13.56 m3/t，瓦斯壓力為1.62 MPa，屬于低滲透性可抽采煤層，現為保障回采作業能夠順利進行，特進行工作面瓦斯運移規律和抽采技術的研究。

2 裂隙帶瓦斯運移規律分析

為分析1302工作面回采期間采場裂隙帶的瓦斯流動規律，現采用COM SOL數值模擬軟件進行模擬分析，基于偏微分方程組（PDEs）進行多物理場耦合方程的分析，結合礦井地質資料及相關試驗數據，建立長×高=180 m×124 m的數值模型進行工作面回采完畢后不同時間下瓦斯賦存情況的分析，設置工作面裂隙帶高度為90 m，垮落寬度為130 m，在模型頂部施加上覆巖層載荷，固定模型兩側及底板的位移，按照3號煤層瓦斯賦存情況進行流體參數的設置，具體數值模擬模型及計算邊界如圖1所示。

圖1 數值模擬模型及計算邊界示意圖

為掌握裂隙帶內的瓦斯運移規律，數值模擬時模擬工作面回采完畢不同時刻的瓦斯運移規律，結合相關研究結論[1-2]，設置模擬分析工作面回采完畢初始時刻、回采完畢5 h、回采完畢1 d、回采完畢5 d時裂隙帶內瓦斯賦存情況，基于模擬結果得出如圖2所示瓦斯賦存云圖。

圖2 工作面回采完畢后不同時間瓦斯賦存云圖

分析圖2可知，工作面采動影響下，上覆巖層逐漸垮落，采動引起的煤層裂隙逐漸發育與擴展，致使煤體內的瓦斯從煤體中解吸出后向采空區內涌入，出現工作面回采完畢初始階段采空內的瓦斯壓力呈現出逐漸上升的現象，且在覆巖裂隙發育的區域內瓦斯積聚現象較為顯著；隨著時間的推移，在工作面回采完畢5 h后，瓦斯氣體在壓力的驅動下沿著覆巖裂隙通道逐漸向上部移動，運移到頂板約50 m的位置處，在采場的中部覆巖裂隙的最大發育高度為58 m，采場中部的裂隙發育密度也遠低于兩端，在工作面回采完畢5 h后，采場中的瓦斯氣體壓力便逐漸區域穩定；在工作面回采完畢1 d后，瓦斯沿著采場兩端逐漸向采場上方和水平方向的裂隙內移動，此時瓦斯氣體已經到達采場裂隙帶的頂部；在工作面回采完畢后5 d時，采場內瓦斯運移的高度和橫向運移的距離基本不再發生變化，采場內最高的瓦斯氣體壓力為0.45 MPa，且此時隨著時間的推移，覆巖裂隙網絡中的瓦斯壓力基本不再出現變化。

基于上述分析結果，為確保模擬結果的可靠性，進一步進行工作面回采完畢10 d后的采場裂隙帶瓦斯賦存云圖的分析，結合上述分析，將工作面上覆巖層的裂隙網絡主要劃分為2個區域：①裂隙發達區域：主要為頂板上方20～40 m的范圍內，瓦斯壓力為0.45～0.55 MPa；②裂隙發育區域：主要為頂板上方40～76 m的范圍內，瓦斯壓力為0.2～0.4 MPa，具體采場覆巖瓦斯賦存劃分圖如圖3所示。

圖3 工作面回采完畢10 d后裂隙帶瓦斯賦存云圖

基于上述分析可知，在進行頂板裂隙帶瓦斯抽采作業時，抽采鉆孔布置的合理位置為裂隙發達區，即將抽采鉆孔的終孔位置布置在頂板20～40 m的位置處可達到較好的抽采效果。

3 瓦斯抽采技術

3.1 抽采方案設計

根據3號煤層屬于低滲透性煤層的特征，確定工作面采用順層鉆孔瓦斯抽采+裂隙帶瓦斯抽采+地面水平分支井抽采相結合的抽采方案，具體各項抽采方案的技術參數如下：

1）順層鉆孔瓦斯抽采：在工作面回采前，采用千米鉆機進行順層鉆孔的施工，鉆孔以鉆場為單位進行布置，鉆場內的鉆孔呈扇形布置，每個鉆場鉆孔數量為12個，抽采鉆孔直徑為96 mm，設計深度為450 m，終孔間距10 m，此時抽采主要針對工作面大面積區域進行預抽；當千米鉆機施工的順層鉆孔抽采完畢后，在工作面回采前繼續采用普通鉆機布置對打鉆孔進行本煤層強化預抽，鉆孔直徑94 mm，長度為100 m，間距4 m，采用“兩堵一注”囊袋式封孔，封孔深度8 m，具體順層鉆孔布置方式見圖4所示。

圖4 工作面順層抽采鉆孔布置形式示意圖

2）裂隙帶瓦斯抽采：基于上述數值模擬結果可知，裂隙帶抽采鉆孔的合理終孔位置為頂板20～40 m的范圍，結合工作面特征及裂隙鉆孔抽采的相關實踐經驗[3-5]，設置裂隙帶抽采鉆孔布置于回風巷中，鉆場長×寬×高=6 m×4 m×3.6 m，鉆孔間距為50 m，鉆場內的鉆孔呈扇形布置，每個鉆場內布置2排鉆孔，每排布置6個鉆孔，鉆孔直徑為終孔高度為40 m，鉆孔間終孔間距為20 m，鉆孔深度在72～134 m的范圍內，具體裂隙帶鉆孔設計參數見表1，鉆孔布置方式剖面圖如圖5所示。

表1 鉆場內鉆孔設計參數表

圖5 裂隙帶抽采鉆孔布置方式剖面圖

3）地面水平分支井抽采：在1302工作面對應的地面位置處，布置2口分支水平井，編號分別為LA-02H-1和LA-02H-2，基于工作面的特征，確定布置5條分支井鉆孔，分支井鉆孔水平方向與回風巷間每20 m布置1個，從距離回風巷30 m的位置開始布置，在垂直方向上其終孔分別位于煤層頂板上方35、38、47、50、53 m的位置處，水平鉆孔內下放N80的石油管線[6-7]，并將主孔連接至地面具體水平分支井抽采鉆孔布置形式如圖6所示。

圖6 水平分支井布置形式示意圖

3.2 效果分析

在1302工作面采用上述瓦斯抽采措施后，通過在每項抽采措施實施時的監測分析，能夠得出每項抽采措施的抽采效果，具體見表2。

表2 各項瓦斯抽采措施抽采效果數據表

分析表2可知，工作面內各項瓦斯抽采措施中抽采純量由高到低的排序為順層鉆孔、裂隙帶鉆孔和水平分支井，通過上述瓦斯抽采措施，在保障工作面高強度回采的條件下，有效的降低了風排瓦斯的壓力，工作面的整體瓦斯抽采率為47%，抽采效果顯著。

4 結論

根據1302工作面及煤層賦存情況，采用數值模擬的方式進行了裂隙帶瓦斯運移規律的分析，確定裂隙帶抽采鉆孔終孔位置布置在頂板20～40 m的位置處，結合工作面特征確定采用順層鉆孔抽采+裂隙帶瓦斯抽采+地面水平分支井抽采相結合的瓦斯抽采措施，根據瓦斯抽采措施實施時后的分析知，抽采效果顯著，為工作面的安全回采提供了保障。