24102采面采空区瓦斯治理方案与效果

张亚军

（潞安集团潞宁煤业有限责任公司，山西 宁武 036700）

1 工程概况

山西潞安集团潞宁煤业公司24102 工作面位于井田西南部，工作面倾斜长度236 m，走向长度为2 582 m。工作面开采2#煤层，煤层平均厚度为3.28 m，平均倾角为5°。煤层直接顶为泥岩，厚度为3.0～7.3 m，基本顶为细粒砂岩，厚度为15 m，底板岩层主要为泥岩和砂质泥岩。工作面采用一次采全高施工工艺，全部垮落法管理顶板。

山西潞安集团潞宁煤业公司属高瓦斯矿井。根据矿井地质资料可知，2#煤层自燃等级为Ⅱ级，煤尘具有爆炸性，煤层原始瓦斯含量为3 m3/t，瓦斯压力为0.347 MPa。24102 工作面采用U 型通风，根据工作面的瓦斯监测数据得出工作面平均瓦斯涌出量为5.76 m3/min，为有效治理24102 工作面采空区瓦斯，特进行采空区瓦斯治理技术探讨。

2 采空区瓦斯运移规律

高位抽采钻孔：高位抽采钻孔即为通过钻场向采空区的上方施工倾斜向上的钻孔，利用矿山压力作用下顶板形成的裂隙作为抽采的主要通道，通过钻孔将采空区内积聚的瓦斯抽放到地面，以此防止采空区内的瓦斯在风流的作用下通过回风侧煤壁进入到回风顺槽内，进而有效控制工作面上隅角的瓦斯浓度，达到有效治理采空区内瓦斯的目的[1-2]。

为掌握24102 工作面“采空区高位钻孔+ 回风隅角埋管抽采”方案下的瓦斯运移规律，采用FLUENT 数值软件建立数值模型。模型中将采空区视为多孔介质[3-4]，根据工作面的瓦斯抽采方案，在模型的回风顺槽内布置高位钻孔。钻孔间距为2 m，钻孔形状为圆形，尺寸为0.1 m×0.1 m。设置采空区高位钻孔和回风隅角埋管的抽采负压分别为20 kPa、10 kPa，模型参数见表1。

表1 数值模拟模型参数

在进行模拟作业时，设置工作面运输顺槽为风流的入口，配风量为2 240 m3/min，按照温度为300 K时进行折算，得出空气质量流量为43.94 kg/s，设置回风顺槽为风流自由出口[5-6]，其他各项物理参数赋值情况见表2。

表2 各区带数值模拟参数

基于上述数值模型，具体模拟工作面采用高位钻孔+回风隅角埋管抽采情况下采空区瓦斯分布规律见图1。

图1 瓦斯浓度分布云图

分析图1 可知，采空区瓦斯浓度沿着工作面走向方向，随着深入采空区距离的增大，呈现出逐渐增高的现象，且采空区深部的瓦斯浓度基本在27%。另外，采空区采用高位钻孔和回风隅角埋管抽采时，回风隅角区域的瓦斯浓度相对稳定。

在工作面倾向上，采空区的瓦斯主要被高位钻孔和埋管两处抽采通道抽出，由于高位钻孔与埋管在埋设层位、抽采区域方面存在一定的差异，故采空区内局部位置存在瓦斯浓度较高的情况；另外由于高位钻孔的瓦斯抽采作业，使得采空区内的高瓦斯区域的面积逐渐减小，瓦斯聚集区向着采空区的深部转移。

在工作面的垂直高度上，工作面回采后，顶板覆岩逐渐发生垮落卸压，采空区瓦斯会顺着覆岩裂隙逐渐向上移动，到达高位钻孔控制抽采区域后，被高位钻孔持续抽出，瓦斯浓度在垂直方向上表现为随着高度的增大，瓦斯浓度的增加梯度逐渐减小的趋势，且回风隅角区域的瓦斯浓度也相较于未抽采时出现较大幅度的降低。

综合上述分析可知，工作面采用高位钻孔+ 回风隅角埋管相结合的抽采方式，进行采空区瓦斯治理，可以取得良好的效果。

3 瓦斯治理技术

3.1 抽采方案设计

（1）潞宁煤业的现场工程实践结果表明，当2#煤层回采工作面推进一定距离后，在顶板0～30 m的范围内会形成大量的穿层裂隙，顶板30 m 以上的岩层主要发育离层裂隙。由于裂隙带为瓦斯运移提供了横向运移的主要通道，该区域聚集一定程度的高浓度瓦斯，故设计高位钻孔的终孔层位位于离层裂隙区域内。

基于上述分析，确定在工作面回风顺槽内布置高位钻孔。首个高位钻孔在距离工作面开切眼95 m 的位置处施工，随后沿着巷道走向每间隔2 m 布置一个高位钻孔，以5 个高位钻孔为一组；钻孔终孔于煤层顶板30～40 m 的范围内，与回风顺槽间的平距在30～60 m 的范围内。高位钻孔各项参数见表3，高位钻孔的布置形式见图2。

表3 高位钻孔布置参数数据

图2 高位钻孔布置平面

（2）回风隅角埋管抽采：工作面回风巷内布置Φ529 mm 管路，一端插入采空区内，另一端利用Φ600 mm 负压风筒连接工作面抽采支管，以此进行工作面回风隅角附近采空区的瓦斯抽采作业，使采面采空区瓦斯向回风侧流出，解决上隅角瓦斯易超限的问题。

3.2 效果分析

图3 采空区瓦斯治理效果分析

为考察分析24102 工作面采空区“高位钻孔+回风隅角埋管抽采”方案的应用效果，在方案实施期间进行瓦斯抽采各项参数的监测分析，并在抽采实施后进行工作面各个区域瓦斯浓度的测试作业。2018年6月29日—8月8日监测、测试数据及分析结果见图3：图3（a）工作面各个区域瓦斯浓度曲线、图3（b）瓦斯抽采纯量、图3（c）瓦斯抽采率。

分析图3 可知，24102 工作面采用高位钻孔+埋管抽采的方式进行采空区瓦斯治理后，工作面上隅角及回风巷内的瓦斯浓度出现明显的降低趋势；从图（a）可知，回采期间工作面各区域的瓦斯浓度均处于合理范围内，其中上隅角的瓦斯浓度始终稳定在0.1%～0.5%的范围内，无瓦斯超限现象出现；从图3（b）可知，埋管抽采和高位钻孔的瓦斯抽采纯量分别在0.8～2.5 m3/min 和0.5～2.0 m3/min；从图3（c）可知，工作面采用高位钻孔+埋管抽采瓦斯治理措施后，瓦斯的抽采率均在30%以上。

基于上述分析可知，高位钻孔+ 埋管方式抽采瓦斯效果显著。

4 结语

1）数值模拟软件分析工作面采用高位钻孔+回风隅角埋管抽采方式下采空区瓦斯运移规律可知，采空区瓦斯浓度沿着工作面走向方向，随着深入采空区距离的增大，呈现出逐渐增高的现象，且采空区深部的瓦斯浓度基本在27%。

2）基于数值模拟结果，确定工作面采用高位钻孔+ 回风隅角埋管抽采的方式进行采空区瓦斯治理，设计高位钻孔的终孔层位位于离层裂隙区域内，并结合工作面特征进行抽采各项参数的设计。

3）高位钻孔+回风隅角埋管抽采瓦斯方案实施后，工作面回采期间回风隅角的瓦斯浓度始终稳定在0.1%～0.5%的范围内，抽采方案有效治理了采空区的瓦斯，保障了工作面的安全回采。