综放面走向高抽巷瓦斯抽采技术研究

  王振刚  白志鹏

  （潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿，山西省长治市，046102）

  摘  要  为解决五阳矿7603综放面瓦斯超限问题，提出了布置走向高抽巷瓦斯治理方

案。通过数值模拟研究了走向高抽巷在不同抽采负压条件下瓦斯治理效果，得出了高抽巷最

佳负压抽采参数，确定了走向高抽巷瓦斯抽采管路、配套设备及密封墙的设计形式。现场试

验数据表明：采用走向高抽巷瓦斯抽采方案后，抽采瓦斯纯量平均为22 m3/min，抽采量占

瓦斯涌出量的50%左右，工作面瓦斯浓度均控制在许可范围内，有效地解决了该综放面瓦

斯严重超限的难题。

  关键词  综采放顶煤工作面  瓦斯超限  高抽巷数值模拟  抽采负压  最佳参数

  中图分类号  TD712.6   

  近年来瓦斯超限一直是困扰高瓦斯矿井安全高效生产的一大难题，对此国内外许多学者在瓦斯治理方面做出了重大研究。娄金福以覆岩采动裂隙发育的O形圈理论为指导，研究了高抽巷分别布置在顶板不同高度的层位上时，其与回风巷水平距离以及与切眼间距离之间的相互关系；李迎超、张英华等通过Fluent软件模拟了不同空间布置参数条件下的高抽巷抽放效果，研究了高抽巷空间布置参数与高抽巷瓦斯抽放效果之间的关系；李晓泉通过在回采期间采用高抽巷抽放采空区瓦斯时的现场数据分析，推导出了高抽巷抽放瓦斯量与风排瓦斯量之间的关系模型，并通过数学方法证明了其合理性；西铭矿、大佛寺矿、张集矿等应用高抽巷有效地防治了采空区瓦斯大量涌出的现象，解决工作面瓦斯超限问题。本文针对五阳矿瓦斯超限的难题，结合工作面地质状况，提出了采用布置走向高抽巷瓦斯治理方案，并取得了显著效果。

1  工程概况

  五阳矿是一座核定生产能力为190万t/a的大型矿井，目前主采+ 600 m水平，采用综采放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。主采3#煤层属于稳定性煤层，煤层厚度4. 84～7.32 m，平均厚度6.05m，含煤系数11. 20%。煤层顶板主要是泥岩、砂质泥岩，局部为粉砂岩或细粒砂岩，厚度0. 61～18. 51m;底板主要是泥岩，局部为细粒砂岩或粉砂岩，厚度0. 20～6.10 m，一般2.80 m。根据2014年瓦斯涌出量测定结果，五阳煤矿属于高瓦斯矿井，矿井绝对瓦斯涌出量为106. 59 m3／min，相对瓦斯涌出量为15. 72 m3/t。

  7603工作面开采3#煤层，工作面最大瓦斯含量为6. 17 m3/t，残存瓦斯含量为2.48 m3/t，可解吸瓦斯含量为3.69 m3/t，瓦斯压力为0.22 M Pa。工作面布置运输巷、回风巷、内错式瓦斯尾巷及高抽巷，其中，运输巷进风，回风巷及内错式尾巷回风，高抽巷为专用抽采巷道。内错式瓦斯尾巷布置在煤层顶板上3m处，与回风巷间距20 m;高抽巷布置在煤层顶板上35 m处，与回风巷间距40 m。

  7603工作面邻近的7601工作面和7605工作面均已开采完毕，顶底板均已受到破坏，为瓦斯从裂隙涌出提供了必要条件。7603综放面走向高抽巷平面布置图如图1所示。

2工作面瓦斯涌出源

  根据已采工作面瓦斯涌出量测定，7603工作面瓦斯涌出来源主要为采空区瓦斯，采空区瓦斯可分为邻近层及围岩瓦斯、丢煤瓦斯、支架顶煤壁瓦斯、相邻采空区瓦斯。这几部分瓦斯按各自规律混合涌人采空区，此后在漏风及气压浓度差的作用下涌向工作面，造成该工作面瓦斯浓度严重超限。

3高抽巷瓦斯抽采系统参数确定

  在回采期间，为有效解决7603工作面瓦斯严重超限问题，提出在距回风巷平距40 m、垂距35m处布置走向高抽巷瓦斯治理方案，工作面采用U+I+G通风方式，在此基础上采用FLUENT软件对在不同抽采负压条件下瓦斯抽采效果进行模拟研究。

3.1  走向高抽巷合理抽采负压数值模拟

  为确定合理高抽巷抽采负压，在确定合理通风系统、高抽巷布置层位及进风巷风速的基础上，分别设定在1.5 k Pa、2.5 k Pa、3.5 k Pa 3种不同抽采负压条件下的瓦斯抽采方案，并对高抽巷瓦斯抽采效果进行分析。由不同抽采负压下不同位置瓦斯浓度分布云图可以看出，走向高抽巷抽采效果与抽采负压息息相关，当抽采负压为1.5 k Pa时，上隅角瓦斯浓度为0. 68%，采场瓦斯浓度为0.59%；抽采负压为2.5 k Pa时，上隅角瓦斯浓度下降较大，为0. 56%，采场瓦斯浓度为0.53%；而当抽采负压为3.5 k Pa时，上隅角瓦斯及采场瓦斯浓度均变化较小，分别为0.54%和0. 51%。根据以上数据可以分析出走向高抽巷抽采负压在1.5～2.5k Pa变化时，采场瓦斯浓度降低幅度较为明显；抽采负压在2. 5～3.5 k Pa变化时，采场瓦斯浓度受高抽巷抽采负压影响微弱。主要是因为高抽巷抽采负压增加时，能有效拉升抽取下部采空区瓦斯，从而对采空区涌出瓦斯形成分流；但如果在抽采强度过高的情况下，工作面漏风量相对增加，从而打破了采空区瓦斯平衡状态，使深部瓦斯向浅部运移，造成瓦斯浓度减少趋势变缓。故走向高抽巷最优抽采负压应设定在2.5 k Pa左右。

3.2  抽采管路的确定

  根据计算及现场实际情况确定地面主管选用D820 mm×10 mm螺旋焊接钢管；管道井主管选用D820 mm×15 mm螺旋焊接钢管；井下采区专用回风巷干管选用D630 mm×8 mm矿用瓦斯钢管；巷道支管选用D400 mm×6 mm矿用瓦斯钢管。  

选用2台功率为900 kW CBF810-2型水环式真空泵，1运1备；低负压抽采系统规模为40m3／min。

3.3走向高抽巷密封墙设计

  高抽巷采用2道封闭墙进行密闭，厚度均为1000 mm；掏槽深度300 mm，两道封闭墙间距为2.2 m，在封闭墙中间用水泥砂浆进行充填，并在高抽巷外2.5 m范围内进行喷浆处理。高抽巷封闭示意图如图2所示。

4现场试验

  针对7603综放工作面瓦斯涌出量大的难题，在掘进阶段，采用边掘边抽和采前预抽的方式。由于80%的瓦斯来源于开采层，所以采用巷道布置钻孔的预抽瓦斯治理方案对工作面瓦斯进行预抽治理：在7603回风巷、运输巷施工孔间距1 m、孔深100 m、孔径115 mm的采前预抽钻孔，回风巷施工钻孔1962个，钻孔进尺178108 m；运输巷施工钻孔1442个，钻孔进尺118727 m;在工作面切眼施工预抽钻孔，孔间距1m、孔深60 m、孔径115 mm，共施工钻孔 135个，钻孔进尺8378 m。

  7603综放工作面回采期间，采用走向高抽巷对工作面瓦斯进行抽采。高抽巷端头距开切眼距离为10 m，当工作面推进10 m后，高抽巷开始抽采。运输巷进风量为42m 3/s，回风巷回风量为25m3/s，工作面瓦排巷回风量为12m3/S。

  顶板高抽巷抽采瓦斯量及其占总涌出量的比例如图3所示。由图3可以得出，高抽巷从2015年3月10日开始抽采，由于定向水力压裂技术在开切眼处的应用，工作面老顶初次垮落步距控制在10 m内，随工作面的推进，高抽巷的瓦斯抽采浓度和抽采量逐渐增加，且在3月18日之后，瓦斯抽采量和涌出量逐渐趋向于稳定，此时走向高抽巷抽采瓦斯纯量17～27m3／min，平均22 m3／min，抽采量占瓦斯涌出量的40%～50%左右。

  采用布置走向高抽巷瓦斯治理方案后，内错瓦斯尾巷瓦斯浓度控制在0.9%～2.3%，上隅角及回风巷瓦斯浓度均控制在0.7%以内，实现了7603综放面安全高效生产。

5  结论

  (1)通过FLUUENT数值模拟研究了高瓦斯矿井在不同瓦斯抽采负压条件下走向高抽巷瓦斯抽采效果，确定了最佳抽采负压为2.5 k Pa。

  (2)确定了走向高抽巷瓦斯抽采管路、配套设备及密封墙布置方案，为相似地质条件下的工程提供借鉴。

  (3)现场试验数据表明：采用走向高抽巷瓦斯治理方案后，抽采瓦斯纯量平均为22m3／min，抽采量占瓦斯涌出量的40%～50%左右，且内错瓦斯尾巷瓦斯浓度控制在0.9%～2.3%，上隅角及回风巷瓦斯浓度均控制在0. 7%以内，实现了7603综放面安全高效回采。