裕泰煤业15102 工作面高抽巷瓦斯抽采研究与应用

李继平

（阳泉煤业集团有限责任公司，山西 阳泉 045200）

1 工程概况

山西阳泉煤业（集团）平定裕泰煤业有限公司15102 工作面主要开采15#煤层，煤层平均厚度为5.50m，全区稳定可采。煤层顶板岩层主要为砂质泥岩与粉砂岩，底板岩层主要为泥岩与灰岩。工作面采用综采放顶煤采煤方法，通风方式为“一进两回”（运输顺槽进风，回风顺槽及内错尾巷回风），即“U+I”的通风方式。具体通风方式如图1 所示。

图1 15102 综放工作面通风方式示意图

根据矿井地质资料可知，15#煤层瓦斯含量为7.71m3/t，瓦斯压力为0.2MPa，透气性系数为0.0213m2/MPa2·d，百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数为0.177d-1。基于上述数据可知，15#煤层属于较难抽采煤层。15102 工作面通过布置高抽巷进行采空区裂隙带的瓦斯抽采，采用顶板穿层钻孔抽采邻近层瓦斯，闭墙压管抽采采空区瓦斯，布置本煤层钻孔进行回采作业时的瓦斯抽采作业。由于采空区裂隙带的瓦斯涌出量较大，故为有效治理裂隙带瓦斯，需对高抽巷瓦斯抽采系统进行设计研究。

2 高抽巷布置参数分析

2.1 高抽巷合理位置分析

为充分保障15102 工作面瓦斯抽采的效率，现采用Fluent 数值模拟软件对高抽巷的合理位置进行分析。根据15102 工作面的具体地质条件，建立长×宽×高=20m×5m×4m 的数值模型，设置垮落带的高度为25m，裂隙带的高度为100m，将风流的进口与出口分别设置为进风巷与内错尾巷。具体数值模型走向剖面简化模型图如图2 所示。

图2 数值模拟模型走向剖面图

根据15102 工作面的具体情况，对模型中的渗透率、质量源相和粘性阻力系数进行赋值[1-2]。具体设置自燃堆积区、载荷影响区、压实稳定区和裂隙带的粘性阻力系数分别为1.1×105m-2、4.5×105m-2、5.6×105m-2和9.6×105m-2，渗透率分别为0.37、0.17、0.09 和0.02。设置工作面和采空区的质量源相分别为3024和110880。分别设置高抽巷与煤层顶板垂距、与回风巷垂距不同时，对瓦斯抽采效果进行分析，具体设置的模拟方案为：高抽巷与煤层顶板垂距，高抽巷与回风平巷垂距分别为（35m，35m）、（35m，40m）、（35m，45m）、（30m，40m）和（40m，40m）。

根据数值模拟结果，能够得出工作面在不同位置高抽巷内进行瓦斯抽采作业时，瓦斯抽采的浓度、上隅角瓦斯浓度及回风巷的瓦斯浓度数据如表1 所示。

通过具体分析表1 可知，当高抽巷与煤层顶板间的垂直距离为35m 时，高抽巷与回风巷平距为35m、40m 和45m 三种情况下，在高抽巷与回风巷平距为40m 时，瓦斯抽采浓度最大，抽采浓度在26%～28%，回风巷瓦斯浓度最小，为0.5%～0.7%，工作面上隅角瓦斯浓度0.6%～0.8%。当高抽巷与回风巷间的距离为40m 时，在高抽巷与煤层顶板垂距分别为30m、35m 和40m 三种情况下，当高抽巷与煤层顶板垂距为30m、与回风巷垂距为40m 时，瓦斯的抽采浓度较小，这是由于巷道位置与垮落带的边界较为接近造成的。当高抽巷与煤层顶板垂距为40m、与回风巷平距为40m 时，此时瓦斯抽采浓度较大，但根据数值模拟结果能够看出此时的瓦斯抽采纯量较小。故综合上述分析可知，布置高抽巷的合理位置与煤层顶板垂距为35m，与回风巷平距为40m。具体高抽巷在该种布置方式下的采场瓦斯分布特征及高抽巷内流体的速度矢量图如图3 所示。

表1 高抽巷处于不同位置时瓦斯抽采效果

图3 高抽巷与煤层顶板垂距35m、与回风巷垂距40m时模拟结果

2.2 高抽巷抽采系统参数设置

（1）抽采负压。为有效确定高抽巷的抽采负压，在确定了高抽巷的布置层位后，采用数值模拟软件，模拟抽采负压分别为1.5kPa、2.5kPa 和3.5kPa 时高抽巷的瓦斯抽采效果。根据数值模拟结果能够得出，不同抽采负压下瓦斯抽采效果如表2 所示。

通过具体分析表2 可知，随着高抽巷瓦斯抽采负压的增大，高抽巷的混合流量出现逐渐增大、瓦斯的抽采浓度逐渐减小、回风巷内的混合流量及浓度出现减小的趋势。其中随着抽采负压的增大，高抽巷内的抽采混合流量变化较为明显，而回风巷的混合流量受到抽采负压的影响较小。根据数值模拟结果看出，抽采负压增大到3.5kPa 时，打破了工作面采空区的瓦斯平衡，使得漏风量增大。基于上述分析确定高抽巷的抽采负压为2.5kPa。

表2 不同抽采负压下瓦斯效果数据表

（2）抽采管径。高抽巷的瓦斯抽采管径，具体按照下式计算[3-4]：

式中：

d-抽采管路的内径；

V-经济流速；

Q-管路内的混合瓦斯流量。

根据15102 工作面的具体情况，确定高抽巷的瓦斯抽采主管选用D820mm×10mm 的螺旋焊接钢管，采区回风巷的主管路选用D630mm×8mm。

（3）抽采设备。根据抽采设备的选型原则知[5-6]，抽采泵机应选用湿式、防爆的电器设备。基于上述原则，结合瓦斯抽采系统特征，确定抽采设备规格为40m3/min，安装功率为900kW 的水环式真空泵2 台。

3 瓦斯治理效果评价

高抽巷布置平面图如图4 所示。

为有效验证分析15102 工作面高抽巷的瓦斯抽采效果，在工作面进行瓦斯抽采期间，进行长期瓦斯抽采的监测作业。根据监测结果能够得出瓦斯的绝对涌出量及高抽巷抽采瓦斯所占的比例，具体如图5 所示。

通过具体分析图5 可知，在15102 工作面回采期间，随着工作面回采作业的进行，高抽巷内的瓦斯抽采量及瓦斯抽采浓度均出现逐渐增大的趋势。其中在3 月18 日后，高抽巷的瓦斯抽采量能够占到工作面瓦斯涌出量的40%～50%，瓦斯抽采纯量在17～27 m3/min 的范围内，平均瓦斯抽采纯量为22 m3/min。

图4 15102 工作面高抽巷布置位置示意图

图5 高抽巷抽采瓦斯量及所占比例曲线图

根据工作面回采期间瓦斯抽采的监测结果，同样能够得出工作面上隅角、回风巷、瓦斯尾巷及工作面的瓦斯浓度变化曲线如图6 所示。

图6 工作面区域瓦斯浓度变化曲线图

通过具体分析图6 可知，在15102 综放工作面回采期间，根据监测数据看出采空区及周围煤岩体内赋存的瓦斯得到有效的抽采。由于高抽巷抽采系统的合理布置，能够将转移出的瓦斯有效的抽走，在高抽巷的正常抽采期间，其平均的瓦斯抽采率基本大于40%，回采期间内错尾巷的瓦斯浓度处于0.9%～2.3%的范围内，上隅角的瓦斯浓度稳定在0.6%～0.8%的范围内，工作面进风巷及回风巷的瓦斯浓度均稳定在0.5%～0.6%的范围内，表明15102工作面高抽巷的瓦斯抽采系统布置合理，能够进行高效抽采作业，保障工作面安全回采。

4 结论

根据15102 综放工作面瓦斯赋存及地质条件，利用数值模拟软件具体分析了高抽巷的合理布置位置及抽采作业时的合理抽采负压，基于数值模拟结果得出高抽巷的合理位置与煤层顶板垂距为35m，与回风巷平距为40m，确定抽采负压为2.5kPa，并结合工作面具体情况对抽采系统的其余参数进行设计。根据瓦斯抽采监测结果，高抽巷的瓦斯抽采量能够占到工作面瓦斯涌出的量的40%～50%，平均的瓦斯抽采纯量为22m3/min，工作面无瓦斯超限现象出现，保障了工作面的安全开采。