單一厚煤層高強度開采瓦斯治理技術

白雁楠 肖旭誠

（1.山西潞安集團余吾煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046000；2.中國礦業(yè)大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116）

余吾煤業(yè)3 號煤層有堅硬頂板，對其瓦斯治理已經(jīng)開展了很多工作，形成了較為完善的技術手段，正常開采期間治理效果較好。但對于厚煤層高強度開采工作面瓦斯治理成套技術方面還沒有針對性的研究。

劉澤功教授、戴廣龍教授、石必明教授等通過理論分析、相似模擬、數(shù)值模擬的綜合方法指出了高抽巷可抽采大量采空區(qū)及鄰近層的卸壓瓦斯[1]。袁亮院士指出瓦斯主要積聚在頂板裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)，用數(shù)值模擬，研究了高抽巷位置的理想?yún)^(qū)域[2-5]。因此首先研究工作面回采過程中上覆巖層裂隙動態(tài)發(fā)育規(guī)律十分重要[6-7]。

本文以余吾回采工作面為研究模型，通過二維相似模擬試驗和數(shù)值模擬研究采動過程中的周期來壓規(guī)律、“三帶”的分布規(guī)律，同時用模擬軟件建立瓦斯流動模型，分析鉆孔周圍的瓦斯流動規(guī)律，確定高抽巷的位置。結(jié)合余吾煤業(yè)3 號煤層的瓦斯賦存規(guī)律確立余吾煤業(yè)3 號煤層瓦斯綜合治理技術，保證工作面回采時的安全生產(chǎn)。

1 相似模擬

1.1 礦井概況

余吾煤業(yè)主采3 號煤層，3 號煤層位于二疊系山西組下部，為上煤組，平均埋深為550 m，對應的瓦斯壓力為0.49 MPa，瓦斯含量為10.68 m3/t。煤層厚度范圍是5.00～7.25 m，平均厚度為6.2 m。瓦斯含量預測值為10.68 m3/t，此時工作面相對的瓦斯涌出量是12.21 m3/t，對應的絕對瓦斯涌出量是67.83 m3/min。

1.2 相似模擬試驗模型構建

基于余吾煤業(yè)3 號煤層S2107 工作面特征，進行相似模擬試驗。

參數(shù)：膠帶順槽長1 762.8 m，回風順槽長為1 727.5 m，高抽巷長1 685.5 m，切眼長252.7 m；回采斜距1 338.5 m，回采平距1 337.8 m，切眼斜距252.7 m，切眼平距252.5 m，斜面積338 239 m2。

圖1 工作面煤層綜合柱狀圖

本試驗采用二維試驗臺，尺寸為長×寬×高=1800 mm×160 mm×1300 mm，采用平面應力模型。設幾何相似，設容重比，要求模擬與實體所有各對應點的運動情形相似。在模型的鋪設中每次鋪設厚度都不得大于20 mm，并且要確保鋪設的均勻平整，要在每層之間添加云母粉使其層理分明。合理有效的鋪設是相似模擬試驗的關鍵步驟。

1.3 試驗過程

由于試驗采用二維模擬試驗臺，推進方向選擇平行于煤層，與采煤機割煤時的現(xiàn)象大體相同。試驗用高像素照相機拍攝原始基準點的位置，按照大采高工作面的推進要求進行推進。

1.4 相似模擬試驗結(jié)果

相似模型的結(jié)果顯示，S2107 工作面頂板的初次來壓為工作面推進約14 m 時發(fā)生，周期來壓約在工作面每推進12 m 時發(fā)生。采高為6 m 時，冒落帶的高度約為30 m，裂隙帶的高度約40 m，這為高抽巷的布置提供了理論依據(jù)。

2 順層鉆孔抽采數(shù)值模擬

2.1 模型建立

根據(jù)礦井煤層的實際情況，設計抽采鉆孔相關參數(shù)。3 號煤層厚度為6 m，長度設定為50 m，鉆孔半徑r。如圖2 所示。

圖2 鉆孔布點幾何模型

將煤層瓦斯基本參數(shù)賦值于模型，并賦予公式中需要的參數(shù)，如表1 所示。

表1 S2107 工作面參數(shù)設定表

2.2 順層鉆孔數(shù)值模擬試驗結(jié)果

使用模擬軟件分別得出單孔四周的瓦斯流動規(guī)律，圖3 為不同抽采時間下的鉆孔周圍的瓦斯壓力分布圖。

通過圖3（a）、圖4 模擬可以看出，當抽采60 d 時，在抽采半徑2 m 范圍內(nèi)壓力幾乎沒有發(fā)生變化；抽采360 d 時，抽采半徑2 m 范圍內(nèi)壓力在0.35 MPa 以下，與之對應的瓦斯含量為8 m3/t；抽采720 d 時，抽采半徑2 m 范圍內(nèi)壓力在0.28 MPa附近，煤層瓦斯含量也降到了6.5 m3/t 附近。由于煤層的殘余瓦斯含量為2.67 m3/t，故抽采效果已經(jīng)十分明顯。

圖4 單孔抽采不同時間周圍的瓦斯壓力分布圖

從圖3（b）看出，以這種方式布置鉆孔，在抽采60 d 時還不能很好地對抽采范圍內(nèi)煤層卸壓，當抽采時間達到360 d 時，可以看出抽采范圍內(nèi)煤層大部分在卸壓范圍內(nèi)；當抽采時間達到720 d 時，可以看出抽采范圍內(nèi)煤層全部卸壓，起到顯著的抽采效果。

圖3 鉆孔抽采周圍的瓦斯壓力分布圖

3 高抽巷的布置

3.1 裂隙帶位置確定

裂隙帶常用經(jīng)驗公式計算法[4]、數(shù)值模擬法、應力計算法與現(xiàn)場實測法等來確定范圍。

根據(jù)經(jīng)驗公式[4]，將煤層厚按5.92 m 帶入可得：S2107 工作面冒落帶最大高度范圍為26.7 m，裂隙帶最大范圍為63.9 m，所以裂隙帶的范圍是26.7～63.9 m。

現(xiàn)場測定的最大高度為28.3 m 和61.5 m。

三種方法得出結(jié)果相差不大，故將裂隙帶的高度范圍定為29～62 m。

3.2 高抽巷位置的選擇

為了使結(jié)果更為精確，通過模擬數(shù)據(jù)來確定高抽巷的最佳水平位置，使高抽巷具有最好的抽采效果。在垂直距離一定，抽采負壓不變的情況下，模擬參數(shù)在距離回風巷的長度分別取10 m、20 m、30 m。最后得出的模擬結(jié)果如圖5 所示。

圖5 高抽巷與回風巷不同平距時采場瓦斯體積分數(shù)分布

從圖5 看出，不同平距的高抽巷布置中，與回風巷平距為20 m 時，瓦斯?jié)舛瓤蛇_到26%到28%，并且抽采純量也最大，達到了42 m3/min。因此高抽巷與回風巷平距為20 m 時，瓦斯抽采效果最好。

根據(jù)裂隙帶的高度范圍確定高抽巷豎直高度布置范圍是30～40 m。綜合考慮經(jīng)濟效益，在滿足抽采效果的條件下盡可能降低高抽巷布置的高度。

綜合可知，將高抽巷距煤層頂板的垂直距離設為30 m，距回風順槽的平距為20 m。

4 現(xiàn)場試驗

S2107 回風順槽與膠帶順槽布置工作面平行預抽鉆孔，設計孔深為150 m，開口位置距底板2 m，鉆孔間距為4 m。施工完成后，回風順槽側(cè)布置有638 個鉆孔，鉆孔總長度為83 578 m，平均每個鉆孔深度為131.3 m，膠帶順槽和開眼處布置有769個鉆孔，鉆孔總長度為109 288 m，平均每個鉆孔深度為142.7 m。順層鉆孔在巷道煤壁上開孔，將水泥漿和聚氨酯混合使用作為封孔材料，封孔的長度應該至少大于巷道塑性區(qū)的半徑。據(jù)煤巷周圍應力分布的特點，順層鉆孔的封孔深度不小于10 m，以避開巷道周圍裂隙發(fā)育的塑性區(qū)。抽采管路的負壓為24 kPa。S2107 工作面順層鉆孔的布置如圖6。

圖6 工作面順層鉆孔布置圖

對工作面開展的瓦斯抽采試驗表明，瓦斯含量由原來10.68 m3/t，降到了6.5 m3/t，絕對瓦斯涌出量由原來的67.83 m3/min 降到了24.49 m3/min，順層鉆孔起到了很好的現(xiàn)場治理瓦斯的作用；當高抽巷開始全面有效地發(fā)揮作用，平均的瓦斯抽采量為13 m3/min，抽采量占了剩余絕對瓦斯涌出量的40%左右，工作面上隅角的瓦斯沒有出現(xiàn)超限現(xiàn)象；風排瓦斯量的平均值為10.34 m3/min，回采時回風流最高瓦斯?jié)舛取⒑罅餀C尾最高瓦斯?jié)舛取⑸嫌缃亲罡咄咚節(jié)舛榷紱]有出現(xiàn)超限現(xiàn)象。回采期間工作面回風巷瓦斯?jié)舛缺３衷谳^低水平，平均瓦斯?jié)舛葹?.52%，一直在安全界限之內(nèi)。

5 結(jié)論

分析模擬結(jié)果，大采高開采，實際上工作面頂板初次來壓為工作面推進約14 m 時發(fā)生，周期來壓約在每推進12 m 時發(fā)生。從相似模擬試驗中我們可以看出，6 m 采高時冒落帶的高度約30 m，裂隙帶的高度約40 m，這為高抽巷的布置提供了理論依據(jù)。

通過對工作面的瓦斯涌出量進行預測， 3 號煤層S2107 工作面相對的瓦斯涌出量是12.21 m3/t，與之對應的絕對瓦斯涌出量是67.83 m3/min。

使用模擬軟件進行數(shù)值模擬，分析單個鉆孔以及多個鉆孔周圍的瓦斯流動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)布置鉆孔在抽采時間達到360 d 時，抽采范圍內(nèi)煤層壓力大部分在0.32 MPa以下，對應的煤層瓦斯含量為7.5 m3/t；但當抽采時間達到720 d 時，明顯可以看出抽采范圍內(nèi)煤層壓力在0.25 MPa 附近，煤層瓦斯含量也降到了6 m3/t 附近，能有效地降低工作面回采時的絕對瓦斯涌出量。

利用經(jīng)驗公式、現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬三種方法，確定高抽巷的布置位置，即高抽巷距煤層頂板的垂直距離為30 m，距回風順槽的平距為20 m。

根據(jù)順層鉆孔瓦斯抽采效果分析，抽采720 d時瓦斯抽采率達到了47.91%，煤層瓦斯含量由原來10.68 m3/t 降到了6.5 m3/t，絕對瓦斯涌出量由原來的67.83 m3/min 降到了24.49 m3/min，顯著降低工作面的煤層瓦斯含量和回采時的絕對瓦斯涌出量。高抽巷平均瓦斯抽采量為13 m3/min，并與采空區(qū)長立管瓦斯抽采相結(jié)合，使工作面上隅角的瓦斯沒有出現(xiàn)超限現(xiàn)象。