高瓦斯厚煤层综放面采空区瓦斯治理技术及应用

唐一举

摘 要：为了对申家庄煤矿2303工作面瓦斯进行治理，保证矿井安全生产，对工作面瓦斯来源进行分析，确定主要瓦斯涌出源为采空区瓦斯。通过理论计算、数值模拟的方法，确定瓦斯富集区域，提出高位钻孔抽采技术和采空区埋管抽采技术措施，并进行了工业现场应用。

关键词：瓦斯涌出;富集区域;高位钻孔抽采;采空区埋管抽采

中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）31-0071-03

Gas Control Technology and Application in Goaf of Fully

Mechanized Caving Face in High Gas Thick Coal Seam

TANG Yiju

（Henan College Of Industry and Information Technology，Jiaozuo Henan 454000）

Abstract： In order to control the gas in the 2303 working face of Shenjiazhuang coal mine and ensure the safe production of the mine， this paper first analyzed the gas source of the working face and determines that the main gas emission source was the gas in the goaf. Through the method of theoretical calculation and numerical simulation， the area of gas enrichment was determined， and the technology of high-level drilling and underground pipe drainage in goaf were put forward.

Keywords： gas emission;enrichment area;high-level drilling and drainage;underground pipe drainage in goaf

随着矿井采深加深、生产规模不断扩大及综合机械化程度提高，采掘工作面的瓦斯涌出量急剧增大。而依靠加大风量来降低瓦斯浓度的方法，因受到巷道断面面积和风速的限制，已远远不能满足安全生产的要求[1-3]。

申家庄煤矿23采区瓦斯含量、瓦斯压力大，煤与瓦斯突出预测指标钻孔瓦斯涌出初速度[q]、钻屑瓦斯解吸指标[Δh2]都已接近临界值，瓦斯突出危险性逐渐增加，是非突出区域升级为突出区域的过渡采区。针对这一问题，必须结合矿井煤层赋存的条件进行综合治理。

1 工作面概况

2303工作面位于申家庄煤矿23采区，开采煤层为2#单一煤层。走向长平均为1 150m，倾斜长平均为165m，最大煤层厚度为5.1m，最小煤层厚度为4.6m，平均厚度为4.85m，煤层瓦斯含量为9.98～10.59m3/t，残存瓦斯含量為2.55m3/t。煤层底板和顶板岩层主要为砂岩，煤层开采方法为后退式走向长壁综采法，顶板管理采用全部垮落法，通风方式为U型通风。

2 瓦斯涌出来源分析

确定回采工作面的瓦斯来源及所占比重，并对其涌出规律进行分析，对瓦斯治理及抽采工作、有效指导工作面合理配置风量具有十分重要的意义[4]。根据2#煤层的赋存条件，以及与相邻7#煤层距离为110m，因此不考虑邻近层瓦斯涌出。综合分析，2303工作面瓦斯主要来自煤壁瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出[5]。

2.1 回采面总瓦斯涌出总量

采用分源预测法对回采工作面瓦斯涌出总量进行计算[6]。结合矿井提供的资料，经计算，2303回采工作面瓦斯涌出量为20.58m3/min。

2.2 采空区瓦斯涌出量

采空区瓦斯涌出量采用老顶垮落前后回风巷风排的瓦斯含量变化值进行计算，计算公式如下[7]：

[Q3=Q4+（Q2-Q1）]                            （1）

[R=Q3/（Q4+Q2）×100%]                  （2）

式中：[Q3]为采空区瓦斯涌出量，m3/min;[Q4]为对采空区进行瓦斯抽采的量，m3/min;[Q2]为老顶发生垮落以后回风巷风流所排放的瓦斯量，m3/min;[Q1]为老顶未发生垮落时回风巷风流所排放的瓦斯量，m3/min;[R]为采空区内涌出瓦斯的量与瓦斯涌出总量的比值，%。

经计算，得出申家庄煤矿的采空区瓦斯涌出量为11.52m3/min，占采面总瓦斯出总量的55.97%，工作面煤壁和落煤合计占44.03%。因此，对采空区瓦斯进行抽放治理，对保证2302工作面安全生产具有重要意义。

3 抽采区域

3.1 “三带”的确定

高位裂隙钻孔法是目前治理采空区瓦斯涌出量大较为有效的方法，将钻孔终孔布置在瓦斯富集区可大幅提高瓦斯抽放效果。如果终孔布置的层位过高，该区域裂隙不发育，则不能有效形成与采空区的瓦斯运移通道，抽放效果较差;如果终孔布置的层位过低，由于冒落带直接与抽放钻孔相连通，同样难以达到理想的抽放效果。因此，研究采空区上覆岩层的破坏规律和“竖三带”分布区域，对合理布置抽放钻孔具有重要意义[8-11]。根据“三带”计算公式，结合2303工作面顶板条件，可得上覆岩层垮落带的高度为9.4～13.8m，裂隙带的高度为48.29～73.4m，平均为60.84m。

3.2 U型通风方式下采空区瓦斯运移规律

在确定工作面瓦斯来源及采空区覆岩“竖三带”高度范围的基础上，运用Fluent软件模拟2303回采工作面U型通风下采空区内瓦斯分布规律，为布置合理的抽放钻孔提供理论依据。根据申2303回采工作面采空区的实际情况，采空区长200m、宽165m、高30m，进风巷和回风巷长30m、宽3.8m，工作面宽度5m。

距离回采工作面底板30m和60m高度的采空区平面瓦斯浓度分布俯视图如图1所示。

表征在[X]轴方向上截取[X]=10m、[X]=70m、[X]=130m、[X]=190m，表征在[Y]轴方向上截取[Y]=2.5m、[Y]=82.5m、[Y]=162.5m，不同竖直截面的采空区竖直方向瓦浓度分布如图2、3所示。

由模擬结果可知：在距离上隅角平面距30m，距采面垂高45～60m，瓦斯浓度较高，在此区域进行瓦斯抽采将会取得较好效果。

4 现场应用

4.1 钻场布置

根据模拟结果确定的瓦斯富集区域，决定在回风顺槽内向上掘进高位抽放钻场，以便在钻场内施工高位钻孔。在工作面回风巷中，每隔70m向工作面内施工一个钻场，钻场布置在距煤层顶板3m（垂直距离）的岩层中，在钻场中向工作面推进方向布置10个钻孔，钻孔终孔位置处于煤层顶板岩层中，钻孔终孔位置处于工作面上方45～60m，布置方式如图4所示。

4.2 抽采效果分析

高位钻孔抽采技术及采空区埋管抽放技术抽采效果与本煤层抽放效果对比如表1所示。

由表1可知，采空区高位钻孔抽采技术和埋管抽采技术瓦斯抽采量占到工作面瓦斯抽采总量的58%，达到了较为理想的抽采效果。在该工作面实际生产中，在矿井回采工作面配风量1 500m3/min的条件下，未发生瓦斯浓度超限。因此，所采用瓦斯抽采技术对工作面、回风流及上隅角瓦斯超限问题进行了有效治理，为2303工作面的安全生产奠定了基础。

5 结论

①结合申家庄2303工作面实际条件，确定了回采工作面瓦斯涌出来源。根据计算，采空区瓦斯涌出量占瓦斯涌出总量的55.97%，落煤和工作面煤壁涌出量占涌出总量的44.03%，因此确定了瓦斯治理的主要目标为采空区。

②根据公式计算，得出“三带”的范围，裂隙带的高度为48.29～73.4m，平均为60.84m，并结合数值模拟结果，确定瓦斯富集区域为距离上隅角平面距30m、距采面垂高45～60m的区域。

③采用高位钻孔抽采技术及采空区埋管抽采技术对采空区瓦斯进行治理，抽放量占工作面瓦斯综抽放量的58%，工作面综合瓦斯抽放率达到40%以上，对工作面、回风流和上隅角的瓦斯超限问题进行了有效治理，为2303工作面的安全生产奠定了基础。

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