玉溪煤矿1302工作面瓦斯运移规律及抽采技术研究

任美晶

（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城 048200）

1 工程概况

山西兰花科创玉溪煤矿1302工作面位于3号煤层一盘区，工作面平均埋深为560 m，开采山西下部的3号煤层，煤层均厚5.85 m，煤层内部含有一层夹矸，夹矸平均厚度0.28 m，煤层顶板岩层为泥岩和中粒砂岩，底板岩层为泥岩和砂质泥岩；工作面采用大采高一次采全高采煤工艺进行回采作业，全部垮落法管理顶板。根据矿井地质资料知，3号煤层平均瓦斯含量13.56 m3/t，瓦斯压力为1.62 MPa，属于低渗透性可抽采煤层，现为保障回采作业能够顺利进行，特进行工作面瓦斯运移规律和抽采技术的研究。

2 裂隙带瓦斯运移规律分析

为分析1302工作面回采期间采场裂隙带的瓦斯流动规律，现采用COM SOL数值模拟软件进行模拟分析，基于偏微分方程组（PDEs）进行多物理场耦合方程的分析，结合矿井地质资料及相关试验数据，建立长×高=180 m×124 m的数值模型进行工作面回采完毕后不同时间下瓦斯赋存情况的分析，设置工作面裂隙带高度为90 m，垮落宽度为130 m，在模型顶部施加上覆岩层载荷，固定模型两侧及底板的位移，按照3号煤层瓦斯赋存情况进行流体参数的设置，具体数值模拟模型及计算边界如图1所示。

图1 数值模拟模型及计算边界示意图

为掌握裂隙带内的瓦斯运移规律，数值模拟时模拟工作面回采完毕不同时刻的瓦斯运移规律，结合相关研究结论[1-2]，设置模拟分析工作面回采完毕初始时刻、回采完毕5 h、回采完毕1 d、回采完毕5 d时裂隙带内瓦斯赋存情况，基于模拟结果得出如图2所示瓦斯赋存云图。

图2 工作面回采完毕后不同时间瓦斯赋存云图

分析图2可知，工作面采动影响下，上覆岩层逐渐垮落，采动引起的煤层裂隙逐渐发育与扩展，致使煤体内的瓦斯从煤体中解吸出后向采空区内涌入，出现工作面回采完毕初始阶段采空内的瓦斯压力呈现出逐渐上升的现象，且在覆岩裂隙发育的区域内瓦斯积聚现象较为显著；随着时间的推移，在工作面回采完毕5 h后，瓦斯气体在压力的驱动下沿着覆岩裂隙通道逐渐向上部移动，运移到顶板约50 m的位置处，在采场的中部覆岩裂隙的最大发育高度为58 m，采场中部的裂隙发育密度也远低于两端，在工作面回采完毕5 h后，采场中的瓦斯气体压力便逐渐区域稳定；在工作面回采完毕1 d后，瓦斯沿着采场两端逐渐向采场上方和水平方向的裂隙内移动，此时瓦斯气体已经到达采场裂隙带的顶部；在工作面回采完毕后5 d时，采场内瓦斯运移的高度和横向运移的距离基本不再发生变化，采场内最高的瓦斯气体压力为0.45 MPa，且此时随着时间的推移，覆岩裂隙网络中的瓦斯压力基本不再出现变化。

基于上述分析结果，为确保模拟结果的可靠性，进一步进行工作面回采完毕10 d后的采场裂隙带瓦斯赋存云图的分析，结合上述分析，将工作面上覆岩层的裂隙网络主要划分为2个区域：①裂隙发达区域：主要为顶板上方20～40 m的范围内，瓦斯压力为0.45～0.55 MPa；②裂隙发育区域：主要为顶板上方40～76 m的范围内，瓦斯压力为0.2～0.4 MPa，具体采场覆岩瓦斯赋存划分图如图3所示。

图3 工作面回采完毕10 d后裂隙带瓦斯赋存云图

基于上述分析可知，在进行顶板裂隙带瓦斯抽采作业时，抽采钻孔布置的合理位置为裂隙发达区，即将抽采钻孔的终孔位置布置在顶板20～40 m的位置处可达到较好的抽采效果。

3 瓦斯抽采技术

3.1 抽采方案设计

根据3号煤层属于低渗透性煤层的特征，确定工作面采用顺层钻孔瓦斯抽采+裂隙带瓦斯抽采+地面水平分支井抽采相结合的抽采方案，具体各项抽采方案的技术参数如下：

1）顺层钻孔瓦斯抽采：在工作面回采前，采用千米钻机进行顺层钻孔的施工，钻孔以钻场为单位进行布置，钻场内的钻孔呈扇形布置，每个钻场钻孔数量为12个，抽采钻孔直径为96 mm，设计深度为450 m，终孔间距10 m，此时抽采主要针对工作面大面积区域进行预抽；当千米钻机施工的顺层钻孔抽采完毕后，在工作面回采前继续采用普通钻机布置对打钻孔进行本煤层强化预抽，钻孔直径94 mm，长度为100 m，间距4 m，采用“两堵一注”囊袋式封孔，封孔深度8 m，具体顺层钻孔布置方式见图4所示。

图4 工作面顺层抽采钻孔布置形式示意图

2）裂隙带瓦斯抽采：基于上述数值模拟结果可知，裂隙带抽采钻孔的合理终孔位置为顶板20～40 m的范围，结合工作面特征及裂隙钻孔抽采的相关实践经验[3-5]，设置裂隙带抽采钻孔布置于回风巷中，钻场长×宽×高=6 m×4 m×3.6 m，钻孔间距为50 m，钻场内的钻孔呈扇形布置，每个钻场内布置2排钻孔，每排布置6个钻孔，钻孔直径为终孔高度为40 m，钻孔间终孔间距为20 m，钻孔深度在72～134 m的范围内，具体裂隙带钻孔设计参数见表1，钻孔布置方式剖面图如图5所示。

表1 钻场内钻孔设计参数表

图5 裂隙带抽采钻孔布置方式剖面图

3）地面水平分支井抽采：在1302工作面对应的地面位置处，布置2口分支水平井，编号分别为LA-02H-1和LA-02H-2，基于工作面的特征，确定布置5条分支井钻孔，分支井钻孔水平方向与回风巷间每20 m布置1个，从距离回风巷30 m的位置开始布置，在垂直方向上其终孔分别位于煤层顶板上方35、38、47、50、53 m的位置处，水平钻孔内下放N80的石油管线[6-7]，并将主孔连接至地面具体水平分支井抽采钻孔布置形式如图6所示。

图6 水平分支井布置形式示意图

3.2 效果分析

在1302工作面采用上述瓦斯抽采措施后，通过在每项抽采措施实施时的监测分析，能够得出每项抽采措施的抽采效果，具体见表2。

表2 各项瓦斯抽采措施抽采效果数据表

分析表2可知，工作面内各项瓦斯抽采措施中抽采纯量由高到低的排序为顺层钻孔、裂隙带钻孔和水平分支井，通过上述瓦斯抽采措施，在保障工作面高强度回采的条件下，有效的降低了风排瓦斯的压力，工作面的整体瓦斯抽采率为47%，抽采效果显著。

4 结论

根据1302工作面及煤层赋存情况，采用数值模拟的方式进行了裂隙带瓦斯运移规律的分析，确定裂隙带抽采钻孔终孔位置布置在顶板20～40 m的位置处，结合工作面特征确定采用顺层钻孔抽采+裂隙带瓦斯抽采+地面水平分支井抽采相结合的瓦斯抽采措施，根据瓦斯抽采措施实施时后的分析知，抽采效果显著，为工作面的安全回采提供了保障。