綜采工作面上隅角瓦斯治理技術研究

任傳劍

山西焦煤西山煤電馬蘭礦 山西 太原 030200

1 前言

隨著新型能源的不斷發展，風能、水能、太陽能等能源產量規模的不斷加大，化石能源的消耗逐步降低，但由于我國仍處于綠色能源的發展階段，所以煤炭資源的消耗仍是現如今人民生產生活的重要保障。在進行煤礦開采過程中由于煤層中的瓦斯含量使得煤礦瓦斯問題異常突出，采空區瓦斯作為回采工作面瓦斯涌出的主體部分約占總量的50%～60%。當采空區瓦斯的涌出量過大時，在工作面上隅角瓦斯濃度較大，所以對工作面上隅角瓦斯聚集進行治理是十分必要的[1，2]。此前華明國等[3，4]為了解決工作面上隅角瓦斯問題，提出大直徑鉆孔治理技術，通過現場施工發現，鉆孔成孔率從40%增大至89%，鉆桿斷裂率從60%降低到22.2%，鉆孔的最終高度從平均1.6 m增大至3.0 m，加好的提高了施工質量，提升了瓦斯抽采效果 。本文選定U＋采空區埋管＋高抽采的瓦斯治理方案，并研究了治理后瓦斯漏風、涌出及瓦斯的運移規律，并對不同治理參數對上隅角瓦斯濃度影響進行研究，為礦井的安全開采作出一定的貢獻。

2 工作面瓦斯濃度研究

18303工作面的北側與西側是實體煤，回風大巷由回風順槽、高抽巷、進風順巷及切眼組成。進風順巷長為2520.6m，高抽巷2384.7m，回風順槽2381.7m，工作面切眼290m，煤層的采長為2510.6m。工作面煤層厚度為6.25m～6.55m，均厚6.4m，采用走向長壁后退式放頂煤采煤法。工作面瓦斯原始含量為10m3/t，可治理瓦斯含量為7.1m3/t，殘留約為2.4m3/t，所以為高瓦斯工作面。工作面順槽平行孔由φ400mm的瓦斯管進行連接北風井由1號泵站進行抽采，同樣膠帶順槽連接北風井1號泵站抽采，在采空區布置φ400mm的埋管連接北風井2號泵站抽采，高抽巷連接北風井2號泵站利用φ630mm瓦斯管進行帶抽，最后利用φ800mm的瓦斯管進行風排。

對抽采方案下工作面的抽采情況進行一定的研究，首先在工作面的順槽進行鉆孔布置，在膠帶順槽距離切眼400m內、回風巷距切眼600m內布置鉆孔，工作面抽采情況如表1所示。

表1 工作面鉆孔抽采情況表

從表1可以看出，在膠帶順槽位置瓦斯純量為10.2m3/min，瓦斯的混量為70.7m3/min，瓦斯濃度為14.4%，在回風順槽位置瓦斯純量為6.5m3/min，瓦斯的混量為80.9m3/min，瓦斯濃度為8.8%，整個工作面瓦斯抽采純量約為16.6m3/min，占據抽采總量的34.5%。

對工作面膠帶順槽裂隙帶布置24個鉆場，每個鉆場含有12個鉆孔，每個鉆孔的深度為130m，鉆孔開孔的高度為1.8m，鉆孔的間距為0.5m，鉆孔控制在膠皮順槽的100m范圍內，鉆場的抽采情況如表2所示。

表2 工作面裂隙帶鉆孔抽采情況表

工作面的裂隙帶鉆孔瓦斯純量為1.2m3/min，約占據著總抽采量的2.5%，可以看出抽采瓦斯濃度較低，抽采的混合流量較大，同時2號鉆場的瓦斯抽采濃度較大，瓦斯抽采效果好。同時對1號高抽巷的抽采效果進行分析，工作面的平均排風量為2.3m3/min，抽采負壓為7kPa，抽采的混量為263.3m3/min，抽采濃度為5.4%，抽采純量為14.22m3/min。1號高抽巷的抽采效果進行分析，工作面的抽采負壓為7kPa，抽采的混量為262.2m3/min，抽采濃度為5.9%，抽采純量為15.48m3/min。高抽巷總的抽采量為29.67m3/min，占總量的61.5%。對上隅角進行埋管抽采，在回風順槽接φ400mmPE對上隅角進行帶抽，抽采負壓為3kPa、抽采的混量為24.56m3/min、抽采濃度為2.97%，純量為0.74m3/min，占了總量的1.53%。

3 數值模擬研究

3.1 數值模擬方案設計

頂板的高抽巷是防止工作面上隅角瓦斯聚集而設置的，高抽巷的抽采效果不僅與頂板的發育程度等有關同時也與抽采參數有關，所以對高抽巷的抽采參數進行模擬研究。模擬忽略采煤機等采煤設備，不考慮礦井周期來壓等情況，建立進風回風巷的長寬高分別為20m、5m、3m，高抽巷的長寬高分別為10m、3m、3m，工作面的尺寸分別為 長290m、寬9m、高3m。完成模型建立后對模型的參數進行設置，根據實際情況對參數進行設置。

不同高抽巷層位采空區瓦斯濃度分布圖可以看出，采空區的瓦斯濃度在整體分布上呈現出回風側瓦斯濃度較大而進風側瓦斯濃度小的特點。這是由于在采空區的進風側由于進風流的作用使得瓦斯濃度得到一定程度的稀釋，所以呈現出瓦斯濃度較低的特點，而在采空區的回風側由于通風阻力使得瓦斯聚集。同時在豎直方向上，采空區從上至下的瓦斯濃度呈現逐步減小的趨勢，這是由于采空區下部冒落帶的漏風量大，而頂板裂隙帶的漏風量較低，所以瓦斯瓦斯濃度呈現上述趨勢，同時瓦斯濃度密度較小，易浮于空氣的上方，所以也會造成這種情況。同時高抽巷層位的改變對瓦斯濃度整體的影響較小，但對上隅角的瓦斯濃度有著加大的影響，隨著高抽巷水平方向距離風巷的距離增加，高抽巷對上隅角的影響范圍逐步增大，低濃度區域的范圍變大，所以高抽巷距離上隅角范圍的增大使得上隅角瓦斯治理難度增大，治理效果較差，不利用上隅角瓦斯濃度的控制。

3.2 模擬分析

為了對不同埋管深度下瓦斯的濃度及上隅角瓦斯濃度關系，對采空區埋管深度10m、30m、50m和70m的瓦斯抽采濃度及上隅角濃度進行分析，不同埋深瓦斯濃度變化曲線如圖1所示。

圖2 埋管深度上隅角瓦斯濃度變化曲線

從圖1不同埋管埋深上隅角瓦斯濃度變化曲線可以看出，隨著埋管深度的不斷增大，上隅角瓦斯濃度呈現出先減小后增大的趨勢，當埋管深度為10m時，此時上隅角瓦斯濃度為2%，當埋管深度增大至30m時，此時的上隅角瓦斯濃度減小至0.75%，埋管深度增大至50m時，此時的上隅角瓦斯濃度增大至1.56%，當埋管深度為70m時，此時的上隅角瓦斯濃度最大為3%。可以看出當采空區的埋管深度為30m～40m時，此時的采空區上隅角的瓦斯濃度可以有效的控制在1%以下，同時埋管抽采效果較好，在一定程度上保障了工作面的安全，同時減小了能源的浪費。

4 結論

（1）根據實際地質情況提出U＋采空區埋管＋高抽采的瓦斯治理方案，并對治理后的瓦斯抽采效果進行分析，為后續的研究提供依據。（2）利用數值模擬對不同高抽巷層位下綜采面瓦斯分布情況進行分析，確定當距離煤層底板和回風順槽20m的位置為最佳布置層位。

（3）利用數值模擬對不同埋管埋深下上隅角瓦斯分布情況進行分析，發現隨著埋深的增大，上隅角瓦斯濃度呈現出先減小后增大的趨勢，同時埋深30m～40m時效果最佳。