坚硬顶板下综采工作面瓦斯治理技术研究

2022-01-23赵红平

山西冶金 2021年6期

赵红平，赵江

（1.山西乡宁焦煤集团毛则渠煤炭有限公司，山西乡宁 042100；2.山西农业大学，山西太谷 030800）

瓦斯是威胁煤矿安全的“第一杀手”。据统计在我国开采过程中，约六成以上的矿井面临着瓦斯危险，所以对瓦斯事故进行治理对于矿井开采是十分重要。随着我国开采深度的不算增加，煤层瓦斯压力逐步增大，工作面上隅角瓦斯超限的问题逐步凸显。在进行厚煤层、坚硬顶板巷道进行开采时，工作面上隅角的瓦斯超限问题尤为明显，所以对坚硬顶板巷道进行瓦斯治理是十分重要的，此前众多学者对坚硬顶板瓦斯治理技术进行过一定的研究，本文以毛则渠矿209工作面为研究背景，对工作面瓦斯运移规律进行研究，并给出瓦斯治理技术，为高瓦斯矿井安全开采提供一定的保障。

1 矿井概况

山西乡宁焦煤集团毛则渠煤炭有限公司（以下简称毛则渠矿）位于乡宁县西坡镇中咀村，井田面积8.13 km2，批准开采2号-12号煤层，许可开采2号煤，核定生产能力为90万t/年，矿井工业储量为12 194万t,设计可采储量3 936.1万t。矿井采用斜井开拓；通风方式为中央分列式；通风方法为机械抽出式，矿井瓦斯等级为低瓦斯，绝对瓦斯涌出量5.02m3/min、相对瓦斯涌出量为3 m3/t。

209综放工作面主要开采2号煤层，巷道顶板主要为泥岩、粗砂岩、炭质泥岩和细砂岩等，通过力学实验对工作面顶板的力学属性进行试验，发现工作面顶板抗拉强度为2.6 MPa，单轴抗压强度为33.5 MPa，209采煤工作面顶板为坚硬顶板。工作面设计通风量为930 m3/min，后期由于通风效果不佳，将通风量增大至1 200 m3/min。由于209工作面顶板属于坚硬顶板，使得采空区形成空腔，造成采空区瓦斯超限，虽临时增加抽采设备，但效果不佳。对矿井工作面的瓦斯涌出规律进行分析研究，在回风巷内部布置21个瓦斯检测点，每个监测点距离设定为20 m，对回风巷瓦斯进行研究，回风巷瓦斯浓度分布图如1所示。

从图1可以看出，工作面回风巷瓦斯含量最大值为3.32 m3/t，瓦斯最低含量为1.84 m3/t，回风巷的平均瓦斯含量为2.35 m3/t，工作面瓦斯解吸量最大值为2.05 m3/t，瓦斯解吸量最小值为0.5 m3/t，回风巷的平均瓦斯解吸量为0.97 m3/t。

图1 回风巷瓦斯浓度分布图

为了对209工作面瓦斯进行有效治理，首先利用数值模拟软件对采空区瓦斯运移特性进行研究，选定数值模拟软件Fluent，首先进行数值模拟模型建立，将采空区视为多孔介质，介质内部满足动量、质量及能量的守恒，根据毛则渠矿209工作面的实际情况设计采空区沿走向的长度的200 m，进风巷的宽度、高度分别为5 m×3 m，回风巷宽度、高度分别为4 m×3 m，设定空气中瓦斯含量为0.71 kg/m3，Y型通风下采空区瓦斯模拟结果如下页图2所示。

从图2可以看出，在采空区的回风侧深部出现瓦斯集中，同时随着工作面与采空区距离的增加，瓦斯浓度呈现出逐步增大的趋势，但增大的趋势不是一直增加的，当采空区与工作面的距离增大至一定范围时，此时的瓦斯浓度趋于稳定，不会发生大的变化。在回风侧的瓦斯浓度普遍大于进风侧瓦斯浓度，这是由于距离回风巷的位置越近，回风巷的瓦斯涌出现象越明显，所以瓦斯浓度越久越大。根据分析可知在采空区瓦斯超限主要集中于顶部位置，所以在进行瓦斯治理时需要更加重视采空区顶部瓦斯治理。

图2 Y型通风下采空区瓦斯模拟云图

2 瓦斯治理技术研究

对毛则渠矿209工作面采空区瓦斯积聚超限进行治理，选定高位钻孔瓦斯抽采技术，在工作面回风侧的位置布置一排钻孔，钻孔的走向为沿着煤层走向，利用钻孔对采空区裂隙带和冒落带瓦斯进行抽采，高位抽采不仅可以将采空区的瓦斯进行抽排，同时也可以切断与上层采空区瓦斯的联系。通过将采空区瓦斯进行抽排，可以有效解决采空区瓦斯的涌出，提升工作面安全性。

在进行瓦斯治理时，首先需要对采空区覆岩的三带进行确定，在垂直方向上三带分布由上至下可以分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，冒落带是由于随着工作面的推进直接顶在自重作用下出现弯曲，当自重大于其承载极限时，岩石发生断裂。冒落带按照冒落形式可分为不规则和规则冒落两种。随着工作面的不断推进，使得冒落岩块大量堆积，采空区被压密，此时瓦斯在从采空区的运移难度增加。裂隙带是位移冒落带以下，由于冒落使得岩层出现离层，此时岩层由于离层出现裂隙，裂隙一般分为水平裂隙和垂直裂隙，裂隙带的存在使得岩层内部瓦斯运移难度减小。弯曲下沉带时在裂隙带下部由于岩层处于弹性变形和塑性变形之间，在自身重力作用下岩层沿着层面出现弯曲，由于岩层弯曲，此时岩层的密实度增大，瓦斯的运移及扩散遭受到一定的阻隔，但考虑到弯曲下沉带垂直方向一般不发育，所以在考虑瓦斯抽采时不做考虑，经过计算可知毛则渠矿的冒落带高度均值为16.2 m，裂隙带高度均值为53.2 m。

进行高位钻孔布置，由低至高布置一段倾斜钻孔，最终的钻孔布置至裂隙带。由于随着开采的推进，使得冒落带也逐步推进，受到钻孔布置参数的影响，使得在高位段瓦斯抽采效果有所降低，所以为了保证抽采的效果，在钻孔布置采用压茬的方式，根据计算得出压茬的长度设定为37~45 m，所以最终选定压茬长度为41 m。钻孔钻高设定为12 m，钻场的布置为沿着回风巷方向，每个钻场设置10个钻孔，钻孔呈现扇形布置，分为上下各5个，在上端钻孔的间距选定为0.4 m，在底端布设的钻孔孔径为6 m，钻孔均采用水泥砂浆进行封堵。完成现场施工后对瓦斯浓度及瓦斯抽采效率随工作面推进的变化曲线进行分析，如图3所示。

图3 瓦斯浓度及瓦斯抽采效率随工作面推进的变化曲线

如图3所示可以看出，随着工作面的推进工作面瓦斯浓度大致呈现出逐步降低的趋势，在工作面推进距离为345 m时，此时的瓦斯浓度最大为3.6%，当工作面推进至405 m时，此时的瓦斯浓度最小为2.1%。同样的观察瓦斯抽采率随工作面推进变化曲线可以看出，当工作面推进345 m时，此时的瓦斯抽采率最大为52%，当工作面推进至394 m位置时瓦斯抽采率最低仅为18%。从以上分析可以看出，钻孔抽采治理瓦斯方案的可行性。