采空区瓦斯运移规律与治理技术研究

蒋 磊

(晋能控股集团 投资计划部，山西 大同 037000)

1 工程概况

同煤集团煤峪口矿81004工作面位于410盘区，北部为81002工作面采空区，东部为井田边界保护煤柱，西部为410盘区大巷。工作面上覆为11-12号煤合并层采空区，与81004工作面间的间距为0.8～12.5 m，工作面切眼长度140.3 m，可采长度为885 m，开采14-2号煤层，平均厚度2.97 m，平均倾角2°。顶板岩层为细砂岩和砂质泥岩，底板岩层为细砂岩和泥岩。根据矿井地质资料可知，14-2号煤层与其上邻11-12号煤层属近距离煤层，其上部煤层已回采完毕，采空区内积存着大量瓦斯，瓦斯总量约为207 925 m3，81004工作面回采期间上覆采空区的瓦斯会涌向工作面区域，为有效治理工作面回采期间涌出的瓦斯，进行采空区瓦斯治理技术研究。

2 采空区瓦斯运移规律

2.1 建立数值模型

为有效分析81004工作面回采期间采空区的瓦斯运移规律，基于工作面的地质条件，采用Fluent数值模拟软件，建立数值模拟模型，模型中设置工作面开切眼和回采巷道，其中设置进风巷和回风巷的长×宽×高=120 m×4 m×3 m，工作面的长度设置为140 m。为方便研究作业的进行，模型中仅考虑采空区漏风、瓦斯抽采系统及回风巷对采空区内瓦斯分布规律的影响[1-2]，假设14-2号煤层工作面回采巷道及采空区在倾斜方向内错11-12号合并层采空区两侧各4 m。根据垮落带高度的计算公式为：

(1)

式中：h为煤层厚度，m；Kp为垮落到采空区岩层的碎胀系数；△为回采不彻底遗煤引起的充填厚度；c为总采出率；km为垮落顶煤碎胀系数。

基于上述数据能够计算得出11-12号合并层和14-2号煤层开采后垮落带的高度分别为31.98 m和49.2 m，进一步结合采空区覆岩运动规律的相似模拟结果，确定采空区上覆岩层各带的分布形式见表1，具体数值模型结构示意如图1所示。

图1 复合采空区沿走向数值模型结构示意

表1 81004工作面采空区模型参数

本次数值模拟主要分析采空区在不同风量和不同瓦斯抽采量情况下采空区瓦斯的运移规律。

2.2 采空区不同风量情况下的瓦斯分布

为防止工作面回采期间上隅角瓦斯发生超限事故，需要找到适合工作面的配风量，结合矿井工程实践和众多研究结论[3-5]，根据邻近工作面在配风量为600 m3/min时上隅角瓦斯易超限，故进行工作面在配风量为700 m3/min和800 m3/min时，分析采空区瓦斯运移规律，根据数值模拟结果得出，不同风量下采空区瓦斯运移规律分布云图(见图2)。

图2 工作面不同配风量下采空区瓦斯分布云图

分析图2(a)可知，在工作面配风量为700 m3/min时，随着向采空区漏风强度的逐渐增大，在工作面沿倾向、走向和竖直方向上，工作面瓦斯浓度较低区域的范围逐渐扩大。基于数值模拟结果可知，工作面在该配风量情况下，上隅角的瓦斯浓度仍存在超限现象，上隅角的瓦斯浓度在2.9%以上，即工作面在不采用抽采方案时，上隅角瓦斯超限在该配风量时未得到解决。

分析图2(b)可知，在工作面配风量为800 m3/min时，采空区漏风强度进一步增大，采空区内瓦斯浓度进一步降低，但上隅角瓦斯浓度仍处于超限状态，在3.33%～3.75%的范围内，与配风量为700 m3/min时上隅角瓦斯浓度相比，出现了增大现象，主要原因为配风量增大，采空区漏风强度增大，进而导致采空区进风侧的瓦斯在风流作用下被吹到采空区回风侧，进而造成上隅角瓦斯浓度出现超限现象。

综合上述分析可知，工作面在配风量由700 m3/min增大为800 m3/min时工作面上隅角瓦斯浓度出现增大的现象，结合采空区瓦斯分布云图，综合确定工作面配风量选用700 m3/min。

2.3 采空区不同抽采量下的瓦斯分布

设置工作面配风量为700 m3/min时，采用抽采的方式解决工作面上隅角瓦斯易超限的问题，上隅角布置巷道超前导流钻孔(即在回风巷距离工作面一定距离顶板实施垂直于顶板的穿层钻孔，针对11-12号煤层的采空区瓦斯进行瓦斯抽采)，钻孔布置在回风巷上隅角的区域，一端埋入采空区，一端接入抽采系统，分别模拟抽采量为40 m3/min、60 m3/min和90 m3/min下采空区瓦斯浓度分布，根据模拟结果，得出不同抽采方案下工作面及采空区瓦斯浓度分布规律(见图3)。

图3 不同瓦斯抽采量下瓦斯分布云图

分析图3可知，在抽采量为40 m3/min时，工作面回风巷内瓦斯浓度下降2.08%，上隅角瓦斯浓度降低0.6%，但仍处于超限状态；在抽采量为60 m3/min时，采空区内的瓦斯浓度进一步减小，上隅角瓦斯浓度逐渐降低，最大值为1.12%，仍处于瓦斯预警状态；当抽采量进一步增大为90 m3/min时，此时上隅角瓦斯浓度大幅降低，瓦斯浓度在0.2%～0.6%的范围内，有效解决了工作面上隅角瓦斯浓度超限的问题。

3 瓦斯治理技术与效果

3.1 瓦斯治理技术

根据81004工作面的地质及赋存条件，结合上述数值模拟结果，确定工作面配风量为700 m3/min，采用巷道超前导流钻孔进行采空区抽采作业，抽采方式采用边采边抽[6]，即在工作面回风巷内布置钻场，向上覆11-12号煤层打设穿层钻孔，通过井下抽采泵站进行采空区瓦斯抽采作业，具体抽采方案布置方式如图4所示。

图4 巷道超前钻孔导流抽采布置示意

超前导流抽采钻孔在回风巷内布置，从距切眼70 m的位置处开始布置，每间隔100 m布置一组，具体钻孔参数见表2，抽采钻孔封孔采用封固剂，设置封孔长度为3 m，封孔管安装控制阀门和三通卸压阀。

表2 巷道超前钻孔导流抽采参数

3.2 效果分析

在81004工作面回采期间，通过对钻孔抽采数据的监测分析，得出巷道超前导流钻孔抽采浓度和抽采纯量的变化曲线，如图5所示。

图5 超前导流钻孔瓦斯抽采浓度和抽采纯量曲线

分析图5可知，工作面采空区采用巷道超前导流钻孔瓦斯抽采方案时，瓦斯抽采浓度平均为3%，抽采纯量为1.9 m3/min。在抽采方案实施后，工作面瓦斯绝对量为3.1 m3/min，抽出率达到61%.

另外，根据工作面回采期间的上隅角和回风巷中瓦斯浓度监测分析可知，工作面采用巷道超前导流抽采方案后，回采期间上隅角瓦斯浓度在0.01%～0.34%的范围内，无瓦斯超限现象出现，保障了工作面的安全高效开采。

4 结 语

根据81004工作面与上覆11-12号煤层合并层采空区的空间关系，通过数值模拟软件进行不同配风量和不同抽采量下采空区瓦斯分布规律的分析，结合数值模拟结果和地质条件，设计工作面采用巷道超前导流钻孔的方式进行采空区瓦斯治理，根据抽采方案实施后的效果分析可知，工作面回采期间上隅角无瓦斯超限现象，保障了工作面的安全开采。