特厚煤层综放面采空区综合瓦斯治理技术研究

李军艺

(山西平舒煤业有限公司，山西 030600)

1 工作面概况

某矿18205综放工作面走向长为1200m，倾斜长度160m，煤厚为14.8m，工作面共布置一进两回三条巷道，18205进风巷、18205回风巷沿底板掘进，18205回风巷与邻近18207采空区之间的煤柱宽度为6m，工作面布置如图1所示。正常生产时绝对瓦斯涌出量为38.47m/min。

图1 工作面布置

2 瓦斯治理方案设计

某矿采用地面立孔、L型钻孔和高抽巷来治理采空区瓦斯，为了研究三种采空区瓦斯治理方法的效果，消除上隅角瓦斯超限对工作面安全生产的影响，依据18205综放工作面的实际情况，在18205综放面生产时分阶段实施地面立孔、L型钻孔和高抽巷抽采采空区瓦斯。地面立孔服务阶段为从开切眼到330m处；L型钻孔服务阶段为从350m到550m处；高抽巷服务阶段为从550m到停采线处，三种瓦斯抽采方式布置如图2所示。通过现场实测抽采参数并分析抽采效果，为某矿采空区瓦斯治理奠定基础。

2.1 18205综放面覆岩演化规律

依据某矿18205综放面的具体情况，借助CDEM软件来研究18205综放面覆岩演化规律，模型长度x为520m，高度y为180m。设置模型的边界条件：在x方向的两侧施加位移约束，在y方向的底部施加位移约束，在模型上部施加8.75MPa垂直应力，模拟上覆400m左右的岩层自重压力。

先对18207综放面开挖，等到18207综放面结束开挖，对18205综放面进行开挖，在采动的影响下，18205综放面上覆岩层断裂破碎开始垮落，形成明显的“两带”—垮落带和断裂带，在采空区的边界处上部关键层变成铰接形式，下部关键层发生断裂破碎，逐渐演化为悬臂梁结构。通过模拟结果可知，综放面垮落带最大发育高度为54m，断裂带最大发育高度为150m。

2.2 地面立孔布置参数

为了最大限度将18205工作面上隅角位置积聚的瓦斯抽走，依据“O”型圈原理，设计地面立孔必须靠近18205回风巷，即把地面立孔内错18205回风巷12～42m。依据数值模拟结果，地面立孔的终孔位置距底板12～54m。为了保证两个地面立孔的接替式抽采，在走向上每48m布置一个地面立孔。

借助CFD数值模拟实施地面立孔抽采后，18205回风巷瓦斯浓度分布规律，发现未采取地面立孔抽采时，回采期间18205回风巷瓦斯浓度达到2.2%，而采取地面立孔抽采后，18205回风巷瓦斯浓度显著降低，下降到0.63%，表明地面立孔抽采效果良好。

2.3 L型钻孔布置参数

根据18205综放工作面上覆岩层演化规律和地表实际情况，将L型钻孔布置在18207综放面对应的地表附近，施工L型钻孔立孔深度为120m，接着钻孔开始拐弯倾斜，长度为206.5m，最后钻孔沿着水平钻进，终孔位置和顶板的距离为45m，且内错18205回风巷30m，L型钻孔位于瓦斯上浮聚集区，可以充分抽采采空区瓦斯。L型钻孔三维轨迹如图3所示。借助CFD模拟实施L型钻孔后18205回风巷瓦斯浓度分布规律，模拟结果表明：实施L型钻孔后18205回风巷瓦斯浓度降低到0.45%，而上隅角瓦斯浓度为1.1%。

图3 L型钻孔三维轨迹

2.4 高抽巷参数

高抽巷与煤层的间距决定采空区瓦斯的抽采效果。依据18205工作面覆岩演化规律，将高抽巷布置在18205工作面的断裂带内，高抽巷与工作面的间距为55m，且内错回风巷25m。借助CFD数值模拟实施高抽巷技术后，发现18205回风巷瓦斯浓度显著减小，降低到0.22%，证明高抽巷与工作面的间距合理，能够明显减小工作面回风巷的瓦斯浓度，同时采空区瓦斯浓度也显著下降，抽采效果显著。

实施地面钻孔和高抽巷抽采工艺后，回风巷和采空区瓦斯浓度下降显著，抽采效果良好。

3 抽采效果分析

3.1 现场实测三种工艺的抽采效果

地面立孔自2017年6月24日至9月15日开始抽采采空区瓦斯，现场实测得到瓦斯抽采浓度为2.4%，最大纯量是30m3/min，最小纯量是10m3/min，平均抽采纯量是21m3/min，抽采瓦斯量累计达到223.8万m3，占18205工作面瓦斯涌出量的45%～68%。

L型钻孔自8月16日至9月14日开始抽采18205工作面的瓦斯，现场实测发现瓦斯抽采浓度不稳定，波动较大，瓦斯浓度最大值为31.2%，瓦斯浓度最低为0.1%，瓦斯抽采纯量是4.2m3/min，波动幅度较大，原因是18205综放面周期来压时，顶板破碎冒落被压实，致使覆岩裂缝裂隙闭合，瓦斯运移的通道不存在。抽采瓦斯量累计为179.8万m3。

高抽巷自9月11日至11月14日开始抽采工作面瓦斯，但此时工作面处于停采状态，高抽巷最大瓦斯抽采纯量为38m3/min，平均32m3/min，最小为9m3/min，9月15日之前高抽巷未与工作面全部贯通，只通过覆岩裂隙抽采工作面及采空区瓦斯，所以抽采效果不理想，9月15日抽采浓度和纯量逐渐升高，证明高抽巷与工作面贯通完全，覆岩裂隙充分发育，为瓦斯运移提高了良好的运移通道，大量的采空区瓦斯被抽走，累计抽采瓦斯纯量为236.4万m3，共占18205综放面瓦斯涌出量的62%～88%。

图4 抽采浓度对比

3.2 抽采效果对比

三种抽采工艺的瓦斯浓度和纯量随时间变化规律如图4、5所示。从图4发现高抽巷内瓦斯浓度平均为36%，最大值是42%，明显超过L型钻孔和地面立孔，而L型钻孔内平均瓦斯抽采浓度为18%，地面立孔瓦斯抽采浓度平均值2.4%，L型钻孔平均瓦斯抽采浓度是地面立孔的8倍。这是因为地面立孔终孔点离煤层底板近，漏风较大导致瓦斯抽采浓度低；而高抽巷布置在上覆岩层的断裂带内，L型钻孔仅有一段位于垮落带内，沿着覆岩裂隙通道大量瓦斯运移到高抽巷中，因此高抽巷瓦斯抽采浓度最高，L型钻孔次之，地面立孔最低。

图5 三种瓦斯治理方法抽采纯量对比

从图5得到三种工艺抽采起始阶段抽采纯量都较低，但随工作面的不断开采，瓦斯抽采纯量不断升高，地面立孔和高抽巷的抽采纯量明显升高，平均值分别为21m3/min、32m3/min；而L型钻孔瓦斯纯量较低，平均值仅是6m3/min。地面立孔抽采浓度虽然比L型钻孔低，但地面立孔瓦斯纯量却大于L型钻孔，原因是采用地面立孔治理采空区瓦斯时，需要至少同时布置3个地面立孔抽采18205采空区瓦斯，瓦斯抽采混合流量高，因此地面立孔的纯量高于L型钻孔抽采纯量；L型钻孔直径相对较小，水平方向上钻孔位于覆岩断裂带内，随着工作面的推进过程顶板岩石不断垮落破碎，覆岩裂隙得到充分发育，为采空区瓦斯运移提供良好的运移通道。但由于顶板周期来压期间，上覆岩层跨落后被压实，覆岩裂隙闭合，瓦斯运移通道不存在，瓦斯抽采浓度变小。周期加压过后，覆岩裂隙又开始再次发育，大量的瓦斯运移到钻孔中，抽采浓度再次升高。L型钻孔抽采浓度和抽采纯量突然趋近为0，之后又恢复到原来状态，如图4、5所示。

实施三种瓦斯治理方法后18205上隅角瓦斯浓度显著降低，最大为0.42%，最小为0.1%，平均值为0.2%，如图6所示。上隅角瓦斯浓度在8月16日到9月14日期间较高，原因是此阶段仅L型钻孔在为工作面服务，抽采效果不如地面立孔和高抽巷，但未瓦斯超限。

图6 18205综放面上隅角瓦斯浓度变化曲线

地面立孔具备直径较小，施工较简单，效率较高；L型钻孔施工过程中钻孔方向经常发生变化，施工过程较为复杂，效率较低，工程造价也比地面钻孔高；高抽巷具有便于管理和观测，易于控制瓦斯涌出量，可以提前解放同一煤层或下一煤层回采期间工作面的瓦斯压力，抽采量大。综合以上某矿区采用地面立孔和高抽巷的工艺治理采空区瓦斯。