高低位抽采巷合理布置及瓦斯治理技术试验

杜达文

(阳泉煤业(集团)股份有限公司一矿，山西 阳泉 045008)

0 引言

瓦斯灾害是煤矿安全生产中最严重的灾害之一，并且随着煤矿开采深度的不断增加，煤层瓦斯含量不断增大，瓦斯治理难度也显著增大[1]。因此，采取积极的瓦斯灾害治理措施，是实现高产高效的基础。目前，应用比较广泛的瓦斯治理技术包括预抽煤层瓦斯、开采保护层、钻孔抽放、上隅角埋管抽放、高低位抽采巷等[2]。但在实际工程施工中，专用抽采巷层位的布置带有一定主观性和经验性，层位布置是否恰当，将直接影响其瓦斯抽采的效果。近年来，我国学者对专用抽采巷层位的布置也进行了大量的研究。张聪华[3]在初步确定布置参数的基础上，采用Fluent软件对不同布置层位条件下高抽巷的瓦斯抽采效果进行研究，最终确定1228工作面高抽巷最佳位置，并取得了良好的抽采效果；郝家兴[4]采用理论分析、数值模拟等方法，研究得出高抽巷应布置在覆岩裂隙发育区，远离回风巷道采动应力影响的位置的成果；白建强等[5]通过构建瓦斯运移模型并借助FLUENT软件，最终确定了高抽巷布置距回风巷及采空区顶板的最佳水平和垂直距离；崔林柱[6]基于垮落带及裂隙带计算公式，同时借助UDEC数值模拟软件的研究结果表明：随着内错距的增大，高抽巷塑性区范围减小，但对掘进期间巷道围岩变形影响不大。

由上可知，虽然相关学者对专用瓦斯抽采巷合理布置位置进行了大量的研究，但研究方法相对单一，大部分学者运用理论分析和数值模拟相结合的研究方法，使用现场试验并结合数据分析方法的研究较少。阳煤一矿属高瓦斯矿井，为了合理确定高低位抽采巷布置层位，以15#煤层的四个工作面为研究背景，对高瓦斯工作面的高低位抽采巷层位布置进行现场试验，对相应的瓦斯抽采效果进行分析研究，进而确定高低位抽采巷的合理布置范围。

1 工程概况

阳煤一矿位于山西省阳泉市西北部，井田位于山西省沁水煤田的北部，东西走向长14.5 km，南北倾斜宽9.8 km，井田面积83.6126 km2。15#煤层厚度6.35～7.88 m，平均厚度7.49 m。煤层倾角在1°～13°，平均倾角3°。煤层的瓦斯涌出量为190.15 m3/min，煤尘有爆炸性、有自燃倾向性、不易燃烧。工作面采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤一次采全高采煤方法，使用矩形断面的进风巷，巷高3.7 m，巷宽5.2 m，净面积19.24 m2。煤岩层覆存情况分析，15#煤层上方有一层灰黑色砂质泥岩，平均厚度1.7 m；上部是灰色的石灰岩，平均厚度达到2.5 m，致密坚硬，含动物化石；上部是灰黑色的泥岩，含黄铁矿结核。

2 低位抽采巷位置分析

2.1 低位抽采巷抽采瓦斯原理

随着工作面的不断推进，煤层底板煤柱应力不断增压，煤岩体膨胀，而采空区底板应力却处于卸压状态，即工作面推进过程中会不断出现压缩、膨胀、压实三个区域[7]。在剪切力的作用下，两界面处产生的离层和破断裂隙形成裂隙带；同时，下邻近层承受压力的改变，产生了膨胀变形，形成卸压带区域；由于两带的作用，大量瓦斯通过孔隙涌入开采层。因此，将底位抽采巷布置于两带内，可以有效拦截底板瓦斯涌入工作面，降低工作面瓦斯含量[8]。

低位抽采巷瓦斯抽采技术多用于突出煤层或瓦斯抽放难度较大的煤层，一般布置在底板邻近煤层中，通过施工本煤层钻孔预抽底板邻近煤层瓦斯，并且在抽采煤层回采过程中的瓦斯以及欲掘进巷道影响范围内的瓦斯起到了显著的效果[9]。底位抽采巷服务时间一般从巷道开拓完成开始，到工作面开采完结束。

2.2 低位抽采巷层位介绍

阳煤一矿现阶段低抽巷层位有两种形式，一种为以K2四节石为底板掘进，距离15#顶板14 m左右，一种为以K2上部灰色石灰岩为顶板掘进，距离15#煤顶板5～8 m左右。

2.3 不同间距下低位抽采巷瓦斯抽采效果分析

在工作面回采推进过程中，由于推进速度的变化，瓦斯涌出量也会发生变化。一般情况下推进越快，当日瓦斯涌出量越大。为了尽量减小推进速度对试验分析的影响，选取分析推进度为2～3 m/d时的瓦斯抽采效果[10]。以一矿15#煤层的8304、81403、81303、81210 四个工作面为试验对象，对不同间距下的四个工作面进行瓦斯抽采效果分析，得到如图1和图2所示的曲线图。

图 1 不同间距下低位抽采巷瓦斯浓度及纯量变化规律

图 2 不同间距下上隅角瓦斯浓度变化规律

从图1可知，四个试验工作面不同间距下低位抽采巷瓦斯浓度及纯量变化趋势相同，且整体呈先增大后减小的趋势。当间距在11.5 m处抽采瓦斯浓度及纯量达到最高值，抽采瓦斯浓度为2.27%，抽采瓦斯纯量为10.08 m3/min。

从图2可知，四个试验工作面不同间距下低位抽采巷上隅角瓦斯浓度变化呈先减小后增大的趋势。而且在间距为11.5 m处达到最小值，此时上隅角瓦斯浓度为0.41%。

2.4 同一工作面低位抽采巷层位变化瓦斯抽采效果分析

为进一步确定低位抽采巷的合理位置，对同一工作面低位抽采巷层位变化瓦斯抽采效果进行分析，为低位抽采巷位置的合理确定提供依据。

(1) 低位抽采巷瓦斯浓度、纯量变化规律。不同间距下的低位抽采巷瓦斯浓度及纯量变化规律如图3所示。

图 3 不同间距下低位抽采巷瓦斯浓度及纯量变化规律

从图3可知，不同间距下四个试验工作面的低位抽采巷瓦斯浓度与纯量变化趋势基本相同，整体呈现先增大后减小的趋势，当间距位12 m时，四个工作面的低位抽采巷瓦斯浓度及纯量均达到最大值。以81303工作面为例，当间距在12 m时，抽采瓦斯浓度为2.96%，抽采瓦斯纯量为14.01 m3/min，而间距超过12 m之后，抽采瓦斯浓度开始下降，最终稳定在1.8～2.1%范围内；抽采瓦斯纯量也开始下降，并最终稳定在5.58～7.84 m3/min范围内。

(2) 回风巷瓦斯浓度、纯量变化规律。不同间距下的回风巷瓦斯浓度及纯量变化规律如图4所示。

图 4 不同间距下回风巷瓦斯浓度及纯量变化规律

从图4可知，不同间距下四个试验工作面回风巷瓦斯浓度及纯量与低位抽采巷瓦斯浓度及纯量变化趋势相反，整体呈先减小后增大的趋势。同样在间距为12 m时，回风巷瓦斯浓度及纯量均达到最小值。以8304工作面为例，间距为12 m时，回风巷瓦斯浓度为0.21%，回风巷瓦斯纯量为2.46 m3/min，当间距超过12 m之后，回风巷瓦斯浓度及瓦斯纯量开始上升。

(3) 上隅角瓦斯浓度变化规律。不同间距下上隅角瓦斯浓度变化规律如图5所示。

图 5 不同间距下上隅角瓦斯浓度变化规律

从图5可知，不同间距变化下四个试验工作面上隅角瓦斯浓度整体呈先减小后增大的趋势，当间距为12 m时，上隅角瓦斯浓度达到最小值。以8304工作面为例，间距为12 m时，上隅角瓦斯浓度为0.24%。当间距超过12 m之后，上隅角瓦斯浓度开始快速上升，最终稳定在0.8～0.83%范围内。

3 高位抽采巷合理位置分析

3.1 高位抽采巷抽采瓦斯原理

受煤层开采影响，顶板上覆岩层可分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带。工作面推进后垮落带岩层不规则垮落，其上部即为裂隙带岩层，裂隙带又可分为破断裂隙和离层裂隙[11]。煤层开采后，采空区被垮落的岩层充满，进而压实顶板岩层裂隙，而裂隙带上部的离层部分却能一定程度上被保留，瓦斯通过裂隙由采空区涌向离层，导致离层裂隙成为瓦斯积聚的主要场所[12]。

高位抽采巷布置在顶板裂隙带内就是运用瓦斯运动特性，在工作面开采后，顶板岩层由下而上自然垮落，导致临近层及围岩内的瓦斯平衡受到破坏，瓦斯通过裂隙大量涌入离层裂隙。由于瓦斯的密度相对空气密度小，空气浮力使瓦斯向上运动，对于U型通风而言，采空区的瓦斯将沿工作面倾斜方向向上流动并经上隅角涌出[13]。因此，高位抽采巷通过对采空区顶板裂隙及垮落带内积存的高浓度瓦斯的抽取，进而拉动采空区下部瓦斯，减少工作面瓦斯涌出，控制上隅角瓦斯积聚。高位抽采巷抽采原理如图6所示。

图 6 高位抽采巷原理图

3.2 高位抽采巷层位介绍

阳煤一矿现阶段高抽巷层位有两种形式，一种为12#煤上方1 m的黑色泥岩掘进，距离15#顶板45 m左右，一种为以K4深灰色石灰岩为底板掘进，距离15#煤顶板55 m左右。

由上述内容可知，由于采动裂隙发育规律及瓦斯运移特性，导致采空区瓦斯分布不均。高位抽采巷布置的层位不同，能够在很大程度上影响高位抽采巷的瓦斯抽采效果。高抽巷瓦斯抽采效果主要通过瓦斯抽采浓度及工作面上隅角瓦斯浓度这两个因素进行考察[14]。但高位抽采巷带来较好抽采效果的同时，会导致采空区漏风强度增大，进而提高采空区氧浓度，煤炭加速氧化升温产生的CO在漏风风流的驱动下向采空区上部移动，又由于CO本身密度比空气略小，易聚积于采空区上部，结合这两种作用及高位抽采巷层位变化，会导致CO的浓度的升高，进而增大采空区遗煤的自燃可能性，所以高抽巷CO浓度变化的监测，对预防采空区煤自燃具有重要意义[15]。因此，为综合评估高位抽采巷的抽采效果，为高抽巷合理布置范围的确定提供更为全面的依据，在考察瓦斯抽采浓度及上隅角瓦斯浓度的同时，对高位抽采巷CO浓度进行考察。

3.3 不同间距下高位抽采巷瓦斯抽采效果以及CO浓度变化分析

以一矿15#煤层的8304、81403、81303、81210四个工作面为试验对象，对不同层位下的四个工作面进行瓦斯抽采效果及CO浓度变化规律进行分析，得到如图7和图8所示的回风巷瓦斯浓度及瓦斯纯量和高位抽采巷CO浓度变化曲线图。

图 7 不同间距下回风巷瓦斯浓度及纯量变化规律

图 8 不同间距下高位抽采巷CO浓度变化规律

从图7可知，四个试验工作面不同间距下回风巷瓦斯浓度及纯量变化趋势相同，整体呈先减小后增大的趋势。当间距在53 m处回风巷瓦斯浓度及纯量达到最小值，瓦斯浓度为0.41%，瓦斯纯量为4.53 m3/min。

从图8可知，不同间距下四个试验工作面高位抽采巷CO浓度变化呈先减小后增大的趋势。而且在间距为53 m处达到最小值，此时高位抽采巷CO浓度为0.001%。

3.4 同一工作面高位抽采巷层位变化瓦斯抽采效果以及CO浓度变化分析

为进一步确定高位抽采巷的合理位置，对同一工作面高位抽采巷层位变化瓦斯抽采效果及CO浓度变化进行分析，为高位抽采巷位置的合理确定提供依据。

(1) 高位抽采巷瓦斯浓度、纯量变化规律。不同间距下的高位抽采巷瓦斯抽采效果如图9所示。

图 9 不同间距下高位抽采巷瓦斯浓度及纯量变化规律

从图9可知，四个试验工作面不同间距下高位抽采巷瓦斯浓度及纯量变化趋势基本相同，整体上呈先增大后减小的趋势，当间距为55 m时达到最大值。以81303工作面为例，间距为55 m时，抽采瓦斯浓度为61.3%，抽采瓦斯纯量为91.18 m3/min，间距超过55 m之后，高位抽采巷瓦斯浓度和纯量都开始下降。

(2) 高位抽采巷CO浓度变化规律。不同间距下的高位抽采巷CO浓度变化规律如图10所示。

图 10 不同间距下高位抽采巷CO浓度变化规律

从图10可知，四个试验工作面不同间距下高位抽采巷CO浓度整体呈先减小后增大的趋势，在间距为55 m处达到最小值。以81403工作面为例，间距为55 m时，高位抽采巷CO浓度为0.0015%，间距超过55 m之后，CO浓度快速上升。

4 结论

(1) 通过纵向不同工作面低位抽采巷层位变化分析，横向同一工作面低位抽采巷层位变化分析可知，低位抽采巷随着层位变化，瓦斯浓度及纯量均呈现增大后减小趋势；回风巷上隅角瓦斯浓度相反，整体呈先减小后增大趋势。在低位抽采巷与回风巷层位间距在12 m时，低位抽采巷瓦斯浓度及纯量值最高且回风巷上隅角瓦斯浓度最低，因此确定最佳层位间距为12 m。

(2) 通过纵向不同工作面高位抽采巷层位变化分析，横向同一工作面高位抽采巷层位变化分析可知，随着层位变化，高位抽采巷瓦斯浓度及纯量均呈现先增大后减小趋势；CO浓度呈现先减小后增大趋势。在高位抽采巷与回风巷层位间距55 m时，高位抽采巷瓦斯浓度及纯量值最高，CO浓度最低，抽采效果最好。