采动条件下工作面卸压瓦斯运移特征及综合治理技术研究_尉新全.pdf

采动条件下工作面卸压瓦斯运移特征及综合治理技术研究 尉 新 全 （山西焦煤霍州煤电集团公司 ，山西 霍州 034100 ） 摘要 为对 5912 综采工作面采动影响下覆岩及底板煤岩体中卸压瓦斯的运移特征及瓦斯治理技术 进行研究， 通过 Fluent 软件建立 5912 工作面采空区数值模型研究采动影响下覆岩及底板煤岩体中卸 压瓦斯的运移特征， 提出采空区埋管、 高位钻孔及顺层钻孔抽采相结合的瓦斯抽采综合治理方式。结 果表明 在采取了合理的综合治理措施后， 上隅角瓦斯浓度降低至 0.5， 回风顺槽侧瓦斯浓度降低至 0.3， 采掘空间瓦斯浓度显著降低， 很好的解决了矿井瓦斯频繁超限、 瓦斯积聚的问题， 保证了工作面 安全回采。 关键词 综采 ； 采动影响 ； 卸压瓦斯 ； 运移特征 中图分类号 TD712.6文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 02- 0059- 04 Study on gas concentration distribution law and gas control technology under Y-type ventilation system in fully mechanized mining face WEI Xinquan （Shanxi CokingCoal Huozhou Coal and ElectricityGroup Corporation , Huozhou 034100 , China ） Abstract In order tostudythe mining characteristics ofthe unloading gas and the gas control technology ofthe overlying and underlying coal and rock mass under the influence ofthe miningofthe 5912 fullymechanized coal miningface, the 5912 workingface, overlyingand underly- ing coal rock were established by Fluent software. The body and goaf model is used to study the characteristics of unloading gas migration in this working face, and the comprehensive treatment s of gas drainage in high- level borehole, gas drainage in bedding borehole of this coal seam and gas extraction in goaf are proposed. The results showthat after reasonable comprehensive treatment measures, the gas concen- tration in the upper corner is reduced to 0.5, the gas concentration in the return air is reduced to 0.3, and the gas concentration in the mining space is significantly reduced, which solves the frequent gas in the mine. The problem of over- limit and gas accumulation ensures the safe recoveryofthe workingface. Key words Comprehensive mining； Miningimpact ； Pressure reliefgas ； Migration feature 1工程概况 李雅庄矿， 设计有一个水平， 包含三个采区进 行本矿煤质偏硬、 层理明显、 节理裂隙发育且瓦斯 含量较高的 9 煤层的开采。该矿的 9 煤层覆岩冒 落带约 11m， 冒落带内赋存有 5 煤层； 9 煤层上覆 有 1、 2、 4 煤层， 位于约 11～53m 的裂隙带内。9 煤层底板破坏带内赋存有 10 煤层； 底板裂隙带内 赋存有 11 煤层及瓦斯含量较高的 13 煤层。其中 4、 5、 9、 13 可采煤层的平均瓦斯含量为 13m3/t。 目前进行回采的 5912 工作面采用的通风方式为 “U” 型通风， 现存在回采过程中瓦斯超限及采空区、 上隅角等区域瓦斯积聚的问题。 2采动条件下工作面卸压瓦斯运移特征 2.1模型建立 本文借鉴类似矿井经验[1]， 用 Fluent 软件建立 该矿 5912 工作面采空区数值模型，建模时覆岩及 底板岩石的力学参数由矿方提供， 工作面上覆有距 9 煤层底板 43m 的 1 煤层及 2、 4、 5 煤层， 5912 工作面下伏有 9、 13、 10、 11 煤层，具体层位关 系取自矿方地质资料。所建模型为双梯形模型， 200m 长、 180m 宽、 76m 高，通过该模型研究采动影 响下覆岩及底板煤岩体中卸压瓦斯的运移特征， 模 型中两顺槽长 200m 长、 3m 高、 4m 宽。 2.2采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时卸压瓦 斯运移规律分析 采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯运 移特征如图 1 所示。 图 1采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯运移特征 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 59 ChaoXing 观察图 1 可发现 采空区埋管与高位钻孔抽采 相结合时， 工作面上隅角的瓦斯浓度基本为明 0， 降 幅明显， 并且采空区后方较远距离处的高瓦斯浓度 的范围也控制在一定范围内， 图中回风顺槽侧的瓦 斯浓度也较低，说明风流可有效排出部分瓦斯， 并 没有瓦斯在回风顺槽内滞留； 靠近回风顺槽一侧的 采空区没有出现高浓度瓦斯区域， 大部分区域的瓦 斯浓度较低； 5912 工作面紧邻支架的采空区 5m 范 围内的瓦斯浓度下降同样较为明显。而所采 9 煤 层的上覆的 1 及 4 煤层的瓦斯含量也有所下降， 1 及 4 煤层的瓦斯浓度分别下降了 50、 60。 图 2采空区埋管与高位钻孔抽采相结合底板 瓦斯浓度分布图 图 2 为采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时底 板瓦斯浓度分布图， 观察图 2 可以发现 随着 5912 工 作面在回采过程中进行瓦斯抽采， 回风顺槽侧低瓦斯 浓度区域的面积不断扩大， 当工作面推进至距采空区 深部约 50m时， 该范围内的瓦斯浓度变化较为明显。 沿煤层倾向方向， 顺槽至采空区， 采空区至采空区深 部的瓦斯浓度呈上升趋势， 但是浓度较高的区域面积 逐渐减小， 总的来看， 瓦斯浓度明显降低。 图 3采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯 流动走向切片图 图 3 为采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时 瓦斯流动走向切片。观察图 3 可发现 下伏煤岩体 中的瓦斯在大面积负压抽采及瓦斯自身的升浮作 用下，卸压瓦斯将随着风流向采空区深部流动， 距 工作面的距离越远，上覆煤岩体中的瓦斯浓度越 高； 但是上覆、 下伏煤岩体的卸压瓦斯均由回风顺 槽侧向采空区深部移动， 这部分瓦斯并没有对上隅 角瓦斯的积聚造成较大影响。 图 4采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯垂向切片图 图 4 为采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时 瓦斯垂向切片云图。观察图 4 可发现 原本应该在 1 煤层顶部形成的高浓度瓦斯的积聚区域， 在高位 钻孔进行瓦斯抽采的作用下原瓦斯积聚的区域明 显缩小，上覆 4 煤层也出现大面积的低浓度瓦斯 区域。而下伏的瓦斯含量较高的 13 煤层中的瓦斯 在抽采作用下， 其瓦斯浓度在距工作面底板约 15m 的距离处明显降低， 并且低浓度瓦斯区域较大。 图 5采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时瓦斯 流动倾向切片图 图 5 为采空区埋管与高位钻孔抽采相结合时 瓦斯流动倾向切片图。观察图 5 发现 部分距离回 采工作面较近的采空区内， 仍有浓度较高的瓦斯存 在。这是由于该区域的漏风量较大， 并且由于埋管 管路抽采和高位钻孔抽采作业同时进行， 不同的瓦 斯抽采方式会对采空区内的风流流场造成影响， 因 此该区域内仍存在部分高浓度瓦斯。 综上，虽然 5912 工作面在采动影响下瓦斯浓 度沿运输顺槽至回风顺槽方向不断上升， 但高瓦斯 浓度面积明显减小； 在采空区埋管与高位钻孔抽采 的作用下， 5912 工作面底板及下伏煤岩体中瓦斯得 到有效治理，只有一小部分的区域内瓦斯浓度较 高。因此可以说明布置高位钻孔及采空区埋管进行 煤矿现代化2020 年第 2 期总第 155 期 60 ChaoXing 瓦斯抽采作业可以有效的治理瓦斯， 防止回采过程 中上隅角及采空区瓦斯发生积聚现象造成安全隐 患， 影响工作面的正常生产。 3治理瓦斯综合技术[2-3] 3.1采空区埋管进行瓦斯抽采 保护煤柱及煤壁内壁会受采动影响生成大量 裂隙， 大量的瓦斯随裂隙不断向外涌出， 致使采掘 空间内的瓦斯浓度较高， 增加了通风的负担并造成 安全隐患。使用采空区埋管进行瓦斯抽采需要在回 采过后将高浓度的瓦斯封存在采空区内， 用构筑沙 袋墙的方式进行 5912 回风顺槽上隅角的封闭作 业，封闭作业完成后，在封闭墙附近埋设直径 400mm 的抽采管路共两趟， 间隔 12m 在管路上安装 抽放立管， 通过三通相连， 准备作业完成后进行瓦 斯抽采作业， 降低采空区瓦斯浓度。 图 6采空区封闭抽采 3.2高位钻孔抽采瓦斯[4] 所设计高位钻孔抽采瓦斯方案中将 12 个高位 钻孔视为一组抽采钻孔，每组抽采钻孔的间距为 30m，布置在 5912 回风顺槽内，其中 6 个为倾角 70延伸至 1 煤层的高位钻孔， 6 个为倾角 25 延伸至 4 煤层的低位钻孔。高位钻孔瓦斯抽采方 案示意图如图 7 所示， 所有抽采钻孔可进行不同层 位卸压瓦斯的抽采作业。 图 7高位钻孔抽采示意图 3.3本煤层顺层钻孔瓦斯抽采 所设计的顺层钻孔瓦斯抽采方案中， 所有的瓦 斯抽采钻孔均平行于煤层方向， 在两条顺槽内向采 帮延伸， 钻孔间距 5m， 距底板 2.5m， 在回采前进行 所采煤层瓦斯的预抽采作业。回风顺槽内所布置的 抽采钻孔与运输顺槽内的抽采钻孔间距 2.5m， 呈交 叉布置方式。顺层钻孔布置示意图如图 8 所示。利 用所布置的顺层钻孔进行采前未卸压瓦斯抽采及 回采过程中煤壁前方卸压瓦斯的抽采作业。 图 85912 工作面顺层钻孔布置示意图 3.4瓦斯综合治理效果 矿方应用上述的瓦斯抽采治理措施后， 随采记 录的瓦斯数据见表 1。 表 1 瓦斯综合抽采治理的抽采情况 分析表 1 数据可知，随着采空区埋管与高位钻 孔抽采相结合抽采瓦斯时长的增加，由工作面通风 带走的瓦斯量逐渐减少， 综合抽采瓦斯量逐渐增加， 抽采开始 1 个月后，瓦斯抽采量达到全部瓦斯排放 量的 75以上。瓦斯抽采初期由于工作面煤壁前方 煤体受采动影响而产生大量卸压瓦斯，瓦斯抽采纯 量随时长的增加先呈上升趋势；抽采钻孔的数量随 工作面推进逐渐减少，并且大部分煤体内赋存的瓦 斯前期已被抽走，导致瓦斯的抽采量趋于稳定， 工 作面推至停采线时， 瓦斯的抽采量降至最低值。 李雅庄矿 5912 工作面在回采过程中采取上述 三种瓦斯抽采方案后， 解决了原先未采取上述措施 时回采过程中瓦斯超限、 采空区瓦斯积聚量大的问 题， 回采过程中回风顺槽内及上隅角的瓦斯浓度分 别控制在 0.3、 0.5以下， 瓦斯治理效果明显。 4结论（下转第 65 页） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 155 期 抽采作业 时间 瓦斯纯量 （m3/min） 工作面风排瓦斯量 （m3/min） 当月抽瓦斯量 （104m3） 抽采率 （） 18 年 3 月34.26.01150.156.9 18 年 4 月28.312.89159.974.8 18 年 5 月36.78.97160.178.8 18 年 6 月29.27.49130.274.5 18 年 7 月30.19.0995.774.3 18 年 8 月20.73.3184.787.1 18 年 9 月11.32.1346.983.0 61 ChaoXing （上接第 61 页） 本文通过 Fluent 软件建立李雅庄矿 5912 工作 面采空区数值模型， 研究采动影响下覆岩及底板煤 岩体中卸压瓦斯的运移特征， 由数值模拟的分析结 果确定了布置本煤层顺层钻孔、 高位钻孔及采空区 埋管相结合的瓦斯抽采方案。经过现场应用后发 现， 上述综合瓦斯治理措施可有效降低上隅角及回 风顺槽内的瓦斯浓度， 瓦斯的治理效果明显， 解决 了矿方原回采条件下的安全隐患。 参考文献 [1] 齐消寒. 近距离低渗煤层群多重采动影响下煤岩破断与 瓦斯流动规律及抽采研究[D].重庆大学,2016. 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