南煤集团12#煤层开采上邻近层瓦斯治理技术

段慧俊

（大阳泉煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000）

1 工程概况

南煤集团南庄煤矿位于阳泉矿区，矿井主要开采3#、6#、8#、10#、12#和15#煤层，其中3#和6#煤层已回采完毕，各煤层均富含瓦斯，煤层瓦斯压力为0.25～2.3 MPa。矿井目前主采12#和15#煤层，12#煤层平均厚度为1.22 m，平均倾角为6°，煤层瓦斯压力为1.1 MPa，瓦斯含量为14.75 m3/t，煤层透气性为1.70～6.92 m2/（MPa2·d）。12#煤层的上邻近层有6#、8#、9#、10#和11#煤层。通过计算知12#煤层裂隙带的最大发育高度为45.5 m，裂隙带发育至8#煤层底板，即12#煤层回采期间上邻近层的瓦斯主要来源于9#、10#和11#煤层。具体煤层间关系如图1。为有效治理12#煤层回采期间上邻近层涌出的瓦斯，需要研究提出有效的瓦斯治理方案。

图1 煤层柱状图

2 邻近层瓦斯卸压运移规律

4611 工作面长度为180 m，工作面采高为1.5 m，采用综合机械化开采工艺。工作面内布置三条回采巷道，分别为轨道平巷、运输平巷和用于排放瓦斯的外错尾巷。4611 工作面采用“一进一回”的U型通风方式布置，即正巷进风，副巷回风，走向长度946 m，倾向长度176 m，正副巷巷道断面均为11.88 m2。工作面采用相邻的4610 工作面的正巷作为本工作面的瓦斯抽采巷。具体本工作面布置平面图如图2 所示。

图2 4611 工作面平面示意图

根据工作面的各项参数，采用Fluent 数值模拟软件建立采场工作面及采空区模型[1-3]，模型中设置进风顺槽为速度进口，风速为3.2 m/s，设置回风顺槽为自由出流。采场模型及网格划分如图3。

图3 数值模型及网格划分图

根据数值模拟结果能够得出采场中瓦斯的分布规律如图4。

图4 采场瓦斯三维分布图

分析图4 可知，在工作面和采空区的整体采场范围内，采空区裂隙带顶部的瓦斯浓度最高，达到88.9%，工作面进风巷一侧的瓦斯浓度最低；在工作面平行剖面方向上，从距工作面15 m 和60 m 两个较远的瓦斯源进行分析，由于两瓦斯源间岩层较为坚硬，裂隙沟通不充分，因此在距工作面60 m的位置处瓦斯赋存云图中能够看出，瓦斯在采空区的富集可大致划分为两个区域，瓦斯主要富集在裂隙带上边界9#煤层附近，同时在10#煤层和11#煤层附近同样形成了一个浓度较高的瓦斯富集区域；从高位瓦斯浓度富集区能够看出12#煤层顶板上方9#煤层附近的瓦斯浓度达到93.8%，该区域的瓦斯浓度高于10#和11#煤层，且该区域的瓦斯基本积聚在“O”型圈内，因此在进行瓦斯抽采钻孔布置时，应将钻孔布置在裂隙带的两瓦斯富集区域内；钻孔的终孔位置应在采动裂隙的“O”形圈内，这样才能保障抽采效果和抽采范围。

根据数值模拟结果，能够得出工作面沿倾向方向工作面瓦斯浓度分布及采空区漏风流线如图5。

图5 工作面瓦斯浓度及采空区流线分布图

分析图4（a）可知，工作面从进风巷到回风巷区域，沿着工作面倾向方向瓦斯浓度逐渐增大，其中工作面上隅角区域的瓦斯浓度最大，在工作面未采取任何抽采措施下，上隅角瓦斯浓度达到4.69%，外错尾巷中的瓦斯也较高。分析图4（b）可知，采空区内的漏风流线呈现为抛物线状，上隅角区域是采空区内风流的必经通道，采空区内漏风带处的瓦斯均在上隅角区域汇合，进而导致工作面上隅角区域的瓦斯浓度较高。

综合上述分析，12#煤层回采期间，顶板岩层会形成两个瓦斯富集区，在9#煤层区域形成高位瓦斯富集区，在10#和11#煤层处形成低位瓦斯富集区。

3 瓦斯抽采方案及效果

3.1 上邻近层瓦斯抽采方案

根据工作面回采期间上邻近层瓦斯运移规律的模拟结果可知，采动影响后上邻近层会形成高低位瓦斯富集区，且两个富集区的垂直间距较远。为采用同一种抽采方法解决两个富集区瓦斯涌出的问题，设计布置高位和低位钻孔的方式对瓦斯富集区内的瓦斯进行有效抽采[4-6]，达到有效治理12#煤层上邻近层卸压瓦斯的目的。具体上邻近层瓦斯抽采方案如下：

（1）尾巷抽采钻孔布置。巷道内布置1 个低位和21 个高位抽采钻孔，低位钻孔和高位钻孔的终孔层位分别为11#煤层顶板石灰岩和9#煤层中。低位1#钻孔距工作面开切眼20 m，1#与2#钻孔间距为10 m，2#～16#钻孔间距为40 m，16#～22#钻孔间距为50 m。具体尾巷内抽采钻孔参数见表1。

表1 尾巷内抽采钻孔参数表

（2）回风巷钻孔布置。回风巷内抽采钻孔均为低位钻孔，采用布置钻场的方式进行瓦斯抽采。巷道内布置39 个钻场，钻场间距为20 m。其中1#和2#钻场内布置3 个钻孔，3#～39#钻场内均布置4个抽采钻孔，钻孔均在距底板2 m 的位置处开孔，水平间距0.5 m，钻孔覆盖区域为工作面16～60 m范围内，钻孔仰角在10°～25°范围内，终孔层位基本位于11#煤层顶板。

具体4611 工作面上邻近层瓦斯抽采钻孔布置方案如图6。所有抽采钻孔均采用聚氨酯胶带封孔[7]，聚氨酯胶带规格为Φ150 mm×3000 mm。工作面尾巷中布置一趟Φ380 mm 的抽采管路用于排放尾巷中抽出的瓦斯，回风巷中布置一趟Φ226 mm 的抽采管路用于排放回风巷低位钻孔抽出的瓦斯。

图6 4611 工作面上邻近层瓦斯抽采钻孔布置（m）

3.2 效果分析

4611 工作面采用高低位钻孔抽采上邻近层瓦斯方案应用后，工作面瓦斯抽采情况见表2。分析表2 可知，上邻近层瓦斯抽采方案实施后，工作面的瓦斯抽采率基本达到85%，除工作面开始回采的1～2 月瓦斯抽采率较低外（这是由于此时顶板垮落不充分，上邻近煤层卸压不充分），随着工作面回采作业的进行，工作面回采推进3 个月后，工作面抽采效率均在85%以上，抽采效果显著。

表2 4611 工作面回采期间瓦斯抽采数据表

在回采作业空间内进行各个区域瓦斯浓度的测试分析。结果得出，上邻近层高低位钻孔瓦斯抽采方案应用后，工作面上隅角区域的瓦斯浓度降低至0.6%，其余区域瓦斯浓度均稳定在0.3%～0.4%。

4 结论

根据南煤集团12#煤层及瓦斯数值模拟回采期间上邻近层瓦斯运移规律，得出上邻近层瓦斯会分别在10#、11#煤层附近和9#煤层附近分别形成低位和高位瓦斯富集区，结合数值模拟结果设计高低位钻孔参数，抽采效果显著，保障了工作面的安全回采。