采动条件下工作面卸压瓦斯运移特征及综合治理技术研究

尉 新 全

（山西焦煤霍州煤电集团公司，山西 霍州034100）

1 工程概况

李雅庄矿，设计有一个水平，包含三个采区进行本矿煤质偏硬、层理明显、节理裂隙发育且瓦斯含量较高的9#煤层的开采。该矿的9#煤层覆岩冒落带约11m，冒落带内赋存有5#煤层；9#煤层上覆有1#、2#、4#煤层，位于约11～53m 的裂隙带内。9#煤层底板破坏带内赋存有10# 煤层；底板裂隙带内赋存有11#煤层及瓦斯含量较高的13#煤层。其中4#、5#、9#、13# 可采煤层的平均瓦斯含量为13m3/t。目前进行回采的5912 工作面采用的通风方式为“U”型通风，现存在回采过程中瓦斯超限及采空区、上隅角等区域瓦斯积聚的问题。

2 采动条件下工作面卸压瓦斯运移特征

2.1 模型建立

本文借鉴类似矿井经验[1]，用Fluent 软件建立该矿5912 工作面采空区数值模型，建模时覆岩及底板岩石的力学参数由矿方提供，工作面上覆有距9#煤层底板43m 的1#煤层及2#、4#、5#煤层，5912工作面下伏有9#、13#、10#、11# 煤层，具体层位关系取自矿方地质资料。所建模型为双梯形模型，200m 长、180m 宽、76m 高，通过该模型研究采动影响下覆岩及底板煤岩体中卸压瓦斯的运移特征，模型中两顺槽长200m 长、3m 高、4m 宽。

2.2 采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时卸压瓦斯运移规律分析

采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯运移特征如图1 所示。

图1 采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯运移特征

观察图1 可发现：采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时，工作面上隅角的瓦斯浓度基本为明0，降幅明显，并且采空区后方较远距离处的高瓦斯浓度的范围也控制在一定范围内，图中回风顺槽侧的瓦斯浓度也较低，说明风流可有效排出部分瓦斯，并没有瓦斯在回风顺槽内滞留；靠近回风顺槽一侧的采空区没有出现高浓度瓦斯区域，大部分区域的瓦斯浓度较低；5912 工作面紧邻支架的采空区5m 范围内的瓦斯浓度下降同样较为明显。而所采9# 煤层的上覆的1#及4#煤层的瓦斯含量也有所下降，1#及4#煤层的瓦斯浓度分别下降了50%、60%。

图2 采空区埋管与高位钻孔抽采相结合底板瓦斯浓度分布图

图2 为采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时底板瓦斯浓度分布图，观察图2 可以发现：随着5912 工作面在回采过程中进行瓦斯抽采，回风顺槽侧低瓦斯浓度区域的面积不断扩大，当工作面推进至距采空区深部约50m 时，该范围内的瓦斯浓度变化较为明显。沿煤层倾向方向，顺槽至采空区，采空区至采空区深部的瓦斯浓度呈上升趋势，但是浓度较高的区域面积逐渐减小，总的来看，瓦斯浓度明显降低。

图3 采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯流动走向切片图

图3 为采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯流动走向切片。观察图3 可发现：下伏煤岩体中的瓦斯在大面积负压抽采及瓦斯自身的升浮作用下，卸压瓦斯将随着风流向采空区深部流动，距工作面的距离越远，上覆煤岩体中的瓦斯浓度越高；但是上覆、下伏煤岩体的卸压瓦斯均由回风顺槽侧向采空区深部移动，这部分瓦斯并没有对上隅角瓦斯的积聚造成较大影响。

图4 采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯垂向切片图

图4 为采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯垂向切片云图。观察图4 可发现：原本应该在1#煤层顶部形成的高浓度瓦斯的积聚区域，在高位钻孔进行瓦斯抽采的作用下原瓦斯积聚的区域明显缩小，上覆4#煤层也出现大面积的低浓度瓦斯区域。而下伏的瓦斯含量较高的13#煤层中的瓦斯在抽采作用下，其瓦斯浓度在距工作面底板约15m的距离处明显降低，并且低浓度瓦斯区域较大。

图5 采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯流动倾向切片图

图5 为采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯流动倾向切片图。观察图5 发现：部分距离回采工作面较近的采空区内，仍有浓度较高的瓦斯存在。这是由于该区域的漏风量较大，并且由于埋管管路抽采和高位钻孔抽采作业同时进行，不同的瓦斯抽采方式会对采空区内的风流流场造成影响，因此该区域内仍存在部分高浓度瓦斯。

综上，虽然5912 工作面在采动影响下瓦斯浓度沿运输顺槽至回风顺槽方向不断上升，但高瓦斯浓度面积明显减小；在采空区埋管与高位钻孔抽采的作用下，5912 工作面底板及下伏煤岩体中瓦斯得到有效治理，只有一小部分的区域内瓦斯浓度较高。因此可以说明布置高位钻孔及采空区埋管进行瓦斯抽采作业可以有效的治理瓦斯，防止回采过程中上隅角及采空区瓦斯发生积聚现象造成安全隐患，影响工作面的正常生产。

3 治理瓦斯综合技术[2-3]

3.1 采空区埋管进行瓦斯抽采

保护煤柱及煤壁内壁会受采动影响生成大量裂隙，大量的瓦斯随裂隙不断向外涌出，致使采掘空间内的瓦斯浓度较高，增加了通风的负担并造成安全隐患。使用采空区埋管进行瓦斯抽采需要在回采过后将高浓度的瓦斯封存在采空区内，用构筑沙袋墙的方式进行5912 回风顺槽上隅角的封闭作业，封闭作业完成后，在封闭墙附近埋设直径400mm 的抽采管路共两趟，间隔12m 在管路上安装抽放立管，通过三通相连，准备作业完成后进行瓦斯抽采作业，降低采空区瓦斯浓度。

图6 采空区封闭抽采

3.2 高位钻孔抽采瓦斯[4]

所设计高位钻孔抽采瓦斯方案中将12 个高位钻孔视为一组抽采钻孔，每组抽采钻孔的间距为30m，布置在5912 回风顺槽内，其中6 个为倾角70°延伸至1# 煤层的高位钻孔，6 个为倾角25°延伸至4#煤层的低位钻孔。高位钻孔瓦斯抽采方案示意图如图7 所示，所有抽采钻孔可进行不同层位卸压瓦斯的抽采作业。

图7 高位钻孔抽采示意图

3.3 本煤层顺层钻孔瓦斯抽采

所设计的顺层钻孔瓦斯抽采方案中，所有的瓦斯抽采钻孔均平行于煤层方向，在两条顺槽内向采帮延伸，钻孔间距5m，距底板2.5m，在回采前进行所采煤层瓦斯的预抽采作业。回风顺槽内所布置的抽采钻孔与运输顺槽内的抽采钻孔间距2.5m，呈交叉布置方式。顺层钻孔布置示意图如图8 所示。利用所布置的顺层钻孔进行采前未卸压瓦斯抽采及回采过程中煤壁前方卸压瓦斯的抽采作业。

图8 5912 工作面顺层钻孔布置示意图

3.4 瓦斯综合治理效果

矿方应用上述的瓦斯抽采治理措施后，随采记录的瓦斯数据见表1。

表1 瓦斯综合抽采治理的抽采情况

分析表1 数据可知，随着采空区埋管与高位钻孔抽采相结合抽采瓦斯时长的增加，由工作面通风带走的瓦斯量逐渐减少，综合抽采瓦斯量逐渐增加，抽采开始1 个月后，瓦斯抽采量达到全部瓦斯排放量的75%以上。瓦斯抽采初期由于工作面煤壁前方煤体受采动影响而产生大量卸压瓦斯，瓦斯抽采纯量随时长的增加先呈上升趋势；抽采钻孔的数量随工作面推进逐渐减少，并且大部分煤体内赋存的瓦斯前期已被抽走，导致瓦斯的抽采量趋于稳定，工作面推至停采线时，瓦斯的抽采量降至最低值。

李雅庄矿5912 工作面在回采过程中采取上述三种瓦斯抽采方案后，解决了原先未采取上述措施时回采过程中瓦斯超限、采空区瓦斯积聚量大的问题，回采过程中回风顺槽内及上隅角的瓦斯浓度分别控制在0.3%、0.5%以下，瓦斯治理效果明显。

4 结 论

本文通过Fluent 软件建立李雅庄矿5912 工作面采空区数值模型，研究采动影响下覆岩及底板煤岩体中卸压瓦斯的运移特征，由数值模拟的分析结果确定了布置本煤层顺层钻孔、高位钻孔及采空区埋管相结合的瓦斯抽采方案。经过现场应用后发现，上述综合瓦斯治理措施可有效降低上隅角及回风顺槽内的瓦斯浓度，瓦斯的治理效果明显，解决了矿方原回采条件下的安全隐患。