综采工作面上隅角瓦斯治理技术研究

任传剑

山西焦煤西山煤电马兰矿 山西 太原 030200

1 前言

随着新型能源的不断发展，风能、水能、太阳能等能源产量规模的不断加大，化石能源的消耗逐步降低，但由于我国仍处于绿色能源的发展阶段，所以煤炭资源的消耗仍是现如今人民生产生活的重要保障。在进行煤矿开采过程中由于煤层中的瓦斯含量使得煤矿瓦斯问题异常突出，采空区瓦斯作为回采工作面瓦斯涌出的主体部分约占总量的50%～60%。当采空区瓦斯的涌出量过大时，在工作面上隅角瓦斯浓度较大，所以对工作面上隅角瓦斯聚集进行治理是十分必要的[1，2]。此前华明国等[3，4]为了解决工作面上隅角瓦斯问题，提出大直径钻孔治理技术，通过现场施工发现，钻孔成孔率从40%增大至89%，钻杆断裂率从60%降低到22.2%，钻孔的最终高度从平均1.6 m增大至3.0 m，加好的提高了施工质量，提升了瓦斯抽采效果 。本文选定U＋采空区埋管＋高抽采的瓦斯治理方案，并研究了治理后瓦斯漏风、涌出及瓦斯的运移规律，并对不同治理参数对上隅角瓦斯浓度影响进行研究，为矿井的安全开采作出一定的贡献。

2 工作面瓦斯浓度研究

18303工作面的北侧与西侧是实体煤，回风大巷由回风顺槽、高抽巷、进风顺巷及切眼组成。进风顺巷长为2520.6m，高抽巷2384.7m，回风顺槽2381.7m，工作面切眼290m，煤层的采长为2510.6m。工作面煤层厚度为6.25m～6.55m，均厚6.4m，采用走向长壁后退式放顶煤采煤法。工作面瓦斯原始含量为10m3/t，可治理瓦斯含量为7.1m3/t，残留约为2.4m3/t，所以为高瓦斯工作面。工作面顺槽平行孔由φ400mm的瓦斯管进行连接北风井由1号泵站进行抽采，同样胶带顺槽连接北风井1号泵站抽采，在采空区布置φ400mm的埋管连接北风井2号泵站抽采，高抽巷连接北风井2号泵站利用φ630mm瓦斯管进行带抽，最后利用φ800mm的瓦斯管进行风排。

对抽采方案下工作面的抽采情况进行一定的研究，首先在工作面的顺槽进行钻孔布置，在胶带顺槽距离切眼400m内、回风巷距切眼600m内布置钻孔，工作面抽采情况如表1所示。

表1 工作面钻孔抽采情况表

从表1可以看出，在胶带顺槽位置瓦斯纯量为10.2m3/min，瓦斯的混量为70.7m3/min，瓦斯浓度为14.4%，在回风顺槽位置瓦斯纯量为6.5m3/min，瓦斯的混量为80.9m3/min，瓦斯浓度为8.8%，整个工作面瓦斯抽采纯量约为16.6m3/min，占据抽采总量的34.5%。

对工作面胶带顺槽裂隙带布置24个钻场，每个钻场含有12个钻孔，每个钻孔的深度为130m，钻孔开孔的高度为1.8m，钻孔的间距为0.5m，钻孔控制在胶皮顺槽的100m范围内，钻场的抽采情况如表2所示。

表2 工作面裂隙带钻孔抽采情况表

工作面的裂隙带钻孔瓦斯纯量为1.2m3/min，约占据着总抽采量的2.5%，可以看出抽采瓦斯浓度较低，抽采的混合流量较大，同时2号钻场的瓦斯抽采浓度较大，瓦斯抽采效果好。同时对1号高抽巷的抽采效果进行分析，工作面的平均排风量为2.3m3/min，抽采负压为7kPa，抽采的混量为263.3m3/min，抽采浓度为5.4%，抽采纯量为14.22m3/min。1号高抽巷的抽采效果进行分析，工作面的抽采负压为7kPa，抽采的混量为262.2m3/min，抽采浓度为5.9%，抽采纯量为15.48m3/min。高抽巷总的抽采量为29.67m3/min，占总量的61.5%。对上隅角进行埋管抽采，在回风顺槽接φ400mmPE对上隅角进行带抽，抽采负压为3kPa、抽采的混量为24.56m3/min、抽采浓度为2.97%，纯量为0.74m3/min，占了总量的1.53%。

3 数值模拟研究

3.1 数值模拟方案设计

顶板的高抽巷是防止工作面上隅角瓦斯聚集而设置的，高抽巷的抽采效果不仅与顶板的发育程度等有关同时也与抽采参数有关，所以对高抽巷的抽采参数进行模拟研究。模拟忽略采煤机等采煤设备，不考虑矿井周期来压等情况，建立进风回风巷的长宽高分别为20m、5m、3m，高抽巷的长宽高分别为10m、3m、3m，工作面的尺寸分别为 长290m、宽9m、高3m。完成模型建立后对模型的参数进行设置，根据实际情况对参数进行设置。

不同高抽巷层位采空区瓦斯浓度分布图可以看出，采空区的瓦斯浓度在整体分布上呈现出回风侧瓦斯浓度较大而进风侧瓦斯浓度小的特点。这是由于在采空区的进风侧由于进风流的作用使得瓦斯浓度得到一定程度的稀释，所以呈现出瓦斯浓度较低的特点，而在采空区的回风侧由于通风阻力使得瓦斯聚集。同时在竖直方向上，采空区从上至下的瓦斯浓度呈现逐步减小的趋势，这是由于采空区下部冒落带的漏风量大，而顶板裂隙带的漏风量较低，所以瓦斯瓦斯浓度呈现上述趋势，同时瓦斯浓度密度较小，易浮于空气的上方，所以也会造成这种情况。同时高抽巷层位的改变对瓦斯浓度整体的影响较小，但对上隅角的瓦斯浓度有着加大的影响，随着高抽巷水平方向距离风巷的距离增加，高抽巷对上隅角的影响范围逐步增大，低浓度区域的范围变大，所以高抽巷距离上隅角范围的增大使得上隅角瓦斯治理难度增大，治理效果较差，不利用上隅角瓦斯浓度的控制。

3.2 模拟分析

为了对不同埋管深度下瓦斯的浓度及上隅角瓦斯浓度关系，对采空区埋管深度10m、30m、50m和70m的瓦斯抽采浓度及上隅角浓度进行分析，不同埋深瓦斯浓度变化曲线如图1所示。

图2 埋管深度上隅角瓦斯浓度变化曲线

从图1不同埋管埋深上隅角瓦斯浓度变化曲线可以看出，随着埋管深度的不断增大，上隅角瓦斯浓度呈现出先减小后增大的趋势，当埋管深度为10m时，此时上隅角瓦斯浓度为2%，当埋管深度增大至30m时，此时的上隅角瓦斯浓度减小至0.75%，埋管深度增大至50m时，此时的上隅角瓦斯浓度增大至1.56%，当埋管深度为70m时，此时的上隅角瓦斯浓度最大为3%。可以看出当采空区的埋管深度为30m～40m时，此时的采空区上隅角的瓦斯浓度可以有效的控制在1%以下，同时埋管抽采效果较好，在一定程度上保障了工作面的安全，同时减小了能源的浪费。

4 结论

（1）根据实际地质情况提出U＋采空区埋管＋高抽采的瓦斯治理方案，并对治理后的瓦斯抽采效果进行分析，为后续的研究提供依据。（2）利用数值模拟对不同高抽巷层位下综采面瓦斯分布情况进行分析，确定当距离煤层底板和回风顺槽20m的位置为最佳布置层位。

（3）利用数值模拟对不同埋管埋深下上隅角瓦斯分布情况进行分析，发现随着埋深的增大，上隅角瓦斯浓度呈现出先减小后增大的趋势，同时埋深30m～40m时效果最佳。