锦源煤矿瓦斯防治技术研究
时间：2023-04-25 09:50:05 来源：千叶帆 本文已影响人
李常厚，王瑞超
（山西临县锦源煤矿有限公司，山西 吕梁 033100）
随着综采相关技术装备的不断进步，煤矿开采的深度、推进长度、推进速度不断增加。在开采的过程中工作面局部出现瓦斯超限，严重影响着煤矿的安全生产。部分煤矿企业为了解决上述问题，直接将解吸后的瓦斯排入大气，不仅污染了生态环境，还造成了大量的资源损失。针对这一问题，高抽巷技术应运而生，可以有效的实现工作面瓦斯抽采。国内外相关学者针对高抽巷技术进行了一系列的研究，朱红青[1]等基于覆岩“O”形圈破坏形式，研究了高抽巷与顶板间距及内错距对于瓦斯流场的抽采效果；
范尚崇[2]等采用UDEC数值模拟软件，分析了三带发育的规律，从而确定高抽巷的布置范围；
王红梅[3]等通过评估瓦斯含量、漏风量、氧气含量等参数，认为抽放速率需要控制在合理区间；
徐超[4]等建立了采空区非线性渗透模型，运用至数值模拟软件中，优化了高抽巷的抽采负压设计；
倪廉钦[5]等在采空区瓦斯运移理论的基础上，提出交错式双埋管瓦斯抽采技术，并在万峰煤矿取得了良好的应用效果；
李青松[6]等针对瓦斯抽采孔间距模糊、盲从等问题，研究分析了相同布孔间距和不同布孔间距条件下受抽采叠加效应影响煤层瓦斯压力变化。上述研究对于高抽巷的工艺参数进行了大量研究，但是针对复杂条件下的瓦斯抽放问题，需要结合矿井工作面实际情况，具体问题具体分析。
笔者所在的锦源煤矿，经过鉴定属于高瓦斯矿井，为了治理瓦斯超限的问题，需要设计一条高抽巷，进行瓦斯抽采。本文以一采区101工作面为工程背景，采用fluent数值模拟软件分析高抽巷的最佳层位，设计了低负压抽采系统，并通过现场实测进行验证，本文的研究结果可为锦源煤矿后续开采提供理论指导。
锦源煤矿将4号及5号煤层合并开采，（4+5）煤层东部较厚，其厚度约3.88～7.40 m，平均5.76 m，为全区可采的稳定煤层。同时（4+5）煤层含1～2层夹矸，夹石单层厚度0.35～1.31 m之间。（4+5）煤层埋深340 m，采高5.5 m，其直接顶与基本顶分别为砂质泥岩与中砂岩，底板为砂质泥岩与泥岩。根据晋煤瓦发[2014]1145号的批复显示，锦源煤矿先期开采地段内，开采5（4+5）号煤层期间矿井为高瓦斯矿井。在一采区进行掘进作业时瓦斯涌出量见表1。
表1 采区瓦斯涌出量
工作面开采过程中，覆岩会随煤层的推采不断垮落、破断，最终自地表从上往下会形成弯曲下沉带、裂隙带以及冒落带[7]。同时，已有学者[8]在传统“三带”理论基础上研究并得出了采动裂隙中瓦斯运移和卸压的新“三带”理论，即不易解吸带、卸压解吸带和导气裂隙带，如图1所示。上述有关瓦斯运移的“三带”能够明确地划分覆岩瓦斯卸压、解析范围，进一步地为锦源煤矿瓦斯高位抽采巷层位选择提供理论依据。
图1 三带示意图
瓦斯高位抽采巷进行层位选择时，最好布置在导气裂隙带中，考虑到矿井安全生产需要，也应尽可能地布置在垮落带上方。采用KSPB软件对导气裂隙带发育高度进行理论计算，首先对锦源煤矿101工作面地层综合柱状进行整合，将各地层岩性导入软件进行判别分析，计算得出（4+5）号煤层与关键层的距离。根据关键层理论，当关键层与（4+5）号煤层顶板间距大于7～10倍采高时，关键层及以下岩层将发生垮落破断，并形成瓦斯导气通道，此时可认为导气裂隙带高度等于7～10倍采高。反之，当关键层与（4+5）号煤层顶板间距小于7～10倍采高时，导气裂隙带向上发育，其高度大于7～10倍采高。根据KSPB软件，结合地层岩性，确定主关键层层位为细砂岩，埋深250 m。同时根据（4+5）号煤层埋深，可以得出关键层与煤层间距为90 m，7～10倍采高约为38.5～55 m，小于关键层与煤层间距，由此得出导气裂隙带最大高度为55 m，此外，不易解吸带与卸压解吸带高度分别为255 m与30 m。
高抽巷的设计目标是为降低工作面开采过程中的瓦斯浓度，从而确保矿井的安全高效生产，因此其层位选择至关重要。在覆岩导气裂隙带中，由于裂隙发育程度的不同，高抽巷不同的空间层位会极大的影响工作面瓦斯抽采的效果。进行101工作面高抽巷设计时，首先需要通过理论计算，确定（4+5）号煤层垮落带高度及顶板与抽采巷距离，确保高抽巷的层位在合理范围内。101工作面中，高抽巷与工作面的空间位置如图2所示。
图2 101高抽巷空间位置示意图
3.1 垮落带高度
若将高抽巷直接布置在垮落带中，将导致以下2个突出问题：一是工作面漏风严重，从而导致工作面、回采巷道及上隅角瓦斯严重超限，影响工作面的安全生产；
二是垮落带内采动裂隙发育程度较高，后期围岩控制工作难度较大，且随工作面的推采，高抽巷抽采瓦斯的浓度亦会逐渐降低，因此首先需要确定具体的垮落带的范围。垮落带高度根据经验可知，其数值大小为3～5倍的工作面采高，可以通知理论计算公式（1）得到：
式中：Kz是覆岩碎胀系数；
M为工作面采高，m；
β为煤层倾向角度，°。
根据锦源煤矿101工作面的地质条件可知，煤层采高为5.50 m，覆岩的碎胀系数经试验室测定为1.3，煤层为缓倾斜煤层，倾角5°。将参数代入公式（1）中，可以得到垮落带高度为18.5 m。
3.2 顶板与高抽巷的距离
根据理论推导，工作面顶板与高抽巷的垂直距离为，具体包括两部分组成，一部分为垮落带在倾向夹角平面内的垂直距离，一部分是为了防止高抽巷破坏的富余高度，见公式（2）所示。
上庄乡正在向全省乃至省外大力推广本乡的舍饲养羊技术，希望各地都能通过该模式解决羊规模化养殖带来的生态平衡问题，同时加速羊只的生长速度，提高养殖户的整体经济效益，为新野县乃至河南省的畜牧产业长期可持续稳定发展创造有利条件。
式中：h为垮落带高度，m；
Δh为防止高抽巷破坏的富余高度，m。
高抽巷一般布置在导气裂隙带的中上部，Δh取值35 m，h经过计算得18.5 m，因此H为53.5 m。
3.3 回风巷与高抽巷的水平距离
根据现场实际情况，回风巷内的瓦斯浓度通常较高，为了增加抽采的效果，高抽巷应靠近回风巷。回风巷与高抽巷之间的水平距离包括两部分，一部分是高抽巷与顶板的垂直距离H在夹角平面内的水平投影，一部分是高抽巷距离覆岩断裂轨迹的水平距离，具体见公式（3）所示。
式中：α为覆岩断裂的角度，°；
ΔS是高抽巷距离覆岩断裂轨迹的水平距离，取值范围为9～15 m。
将上述参数代入到公式（3）中，可以得到回风巷与高抽巷之间的水平距离为48 m，符合煤矿安全规程中，高抽巷与回风巷的水平距离在工作面倾向长度的三分之一以内的相关规定。
4.1 数值模型建立
通过理论计算已经初步确定了瓦斯高位抽采巷的大致层位，本小节采用fluent数值模拟软件模拟高抽巷不同层位时，瓦斯浓度的空间分布规律，以此对其进行验证优化。模型的长、宽、高分别为400 m（走向长度）、180 m（工作面长）、55 m（导气裂隙带分布高度）。其中101运输巷为20 m×4.2 m×4.5 m，101回风巷为20 m×4.2 m×4.5 m，101高抽巷为40 m×4.5 m×3.0 m，数值模型如图3所示。
采用控制变量法，根据上述理论计算结果，分析当顶板与高抽巷垂直距离一致时（距离为55 m），不同回风巷与高抽巷的水平距离（43、48、55 m）下瓦斯浓度的空间分布规律，分析当回风巷与高抽巷的水平距离一致时（距离为48 m），不同顶板与高抽巷垂直距离（48、55、58 m）下瓦斯浓度的空间分布规律。模拟方案见表2。
图3 数值模拟初始模型
表2 模拟方案
4.2 数值结果分析
图4依次是不同方案下瓦斯浓度随层位变化的空间分布云图。分别提取方案一至方案三模拟结果中上隅角瓦斯数据、回风巷瓦斯数据以及高抽巷内的瓦斯数据，提取的数据如图5所示。在方案一的参数条件下，上隅角、回风巷及高位抽采巷瓦斯浓度分别约为0.7%～0.8%、0.5%～0.9%以及23%～27%，分析其原因是高抽巷所在区域的裂隙发育程度过高，导致了整个抽采系统处于漏风的状态，从而回风巷上隅角、回风巷等区域的瓦斯浓度较高。
图4 瓦斯浓度受层位影响的空间分布图
图5 瓦斯浓度受层位影响的曲线图
在方案三的参数条件下，如图5所示，回风巷瓦斯浓度与方案一相比略微上升，上隅角瓦斯浓度相对不变，同时抽采巷内瓦斯浓度有显著降低，其原因在于高抽巷布置在导气裂隙带上方，此位置采动裂隙发育程度较低，无法形成瓦斯运移的通道，难以为瓦斯抽采提供良好条件，同样造成了上隅角、回风巷等区域的瓦斯浓度较高。对比3个方案，确定采用方案二即高抽巷与煤层顶板的垂直距离为53 m的方案，其瓦斯监测得到的浓度整体偏小，说明方案适宜。
4.2.2 高抽巷与回风巷的水平距离确定
图6依次是不同方案下，瓦斯浓度受水平距离影响的空间分布云图。分别提取方案四～方案六模拟结果中上隅角瓦斯数据、回风巷瓦斯数据以及高抽巷内的瓦斯数据，提取的数据如图7所示。
图6 瓦斯浓度受水平距离影响的空间分布图
图7 瓦斯浓度受水平距离影响的曲线图
如图7所示，高抽巷距（4+5）煤层顶板距离不变的情况下，上隅角及回风巷内瓦斯浓度变化呈现先降低后上升的趋势，高抽巷内瓦斯浓度随水平距离的增加而缓慢增长。各位置瓦斯浓度在方案四以及方案六的参数条件下，回风巷上隅角、回风巷等区域的瓦斯浓度较高，分别为0.76%、0.55%、0.8%、0.6%。在方案五的参数条件下，即高抽巷与回风巷的水平距离为48 m的方案，其瓦斯监测得到的浓度整体偏小，说明方案适宜。综上对比瓦斯浓度的分布规律，最终高抽巷布置在距离煤层顶板53 m，距回风巷的水平距离48 m的层位中。
5.1 抽采系统
锦源煤矿地面瓦斯抽采泵站选择在南讫垛村的南部，采用2套低负压系统，2趟主管利用2个管道井联通地面与井下。选择的抽采管路系统为：
1）低负压抽采系统I。高抽巷→采区A回风上山→+101水平回风大巷→地面钻孔→地面管路→地面抽采泵站。
2）低负压抽采系统II。高抽巷→采区B回风上山→+101水平回风大巷→地面钻孔→地面管路→地面抽采泵站
采用2BEC-120型水环真空泵2台，一用一备。主管选用无缝钢管，支管选用螺旋焊缝钢管，管径为1 020 mm×10 mm。低负压抽采一采区的上邻近层、现采空区、老采空区瓦斯。
5.2 观测结果
为了更加直观的观测出高抽巷低负压系统的现场抽采效果，分别在高抽巷、上隅角以及回风巷内布置瓦斯监测传感器，其浓度随推进距离变化如图8所示。开采初期，工作面各位置瓦斯浓度稳定波动，煤层推采至38 m时，基本顶发生初次破断，采动裂隙大幅发育，为瓦斯析出提供了良好的运移通道，对应地上隅角、回风巷及抽采巷瓦斯浓度显著增长，但均未发生瓦斯超限现象，能够满足工作面的安全生产。此后工作面继续向前推进，采空区后方裂隙逐渐闭合，瓦斯浓度趋于稳定。
当推采至70 m时，基本顶发生周期破断，裂隙再次发育，瓦斯浓度也随之升高，此后逐渐趋于稳定。综上所述，工作面上隅角瓦斯浓度在0.40%～0.72%之间，回风巷瓦斯浓度在0.35%～0.76%，符合煤炭安全规程的规定，高抽巷内瓦斯浓度范围在26%～35%之间，其抽采峰值浓度为67m3/min，且随煤层推进仍有增长趋势，说明所设计的瓦斯高抽巷实现了瓦斯的高效抽采，能够保证矿井的安全高效生产。
图8 瓦斯浓度监测结果
1）采用KSPB软件计算了覆岩瓦斯不易解吸带、卸压解吸带和导气裂隙带的分布特征，其中不易解吸带高度为255 m，卸压解吸带高度为30 m，导气裂隙带高度为55 m。
2）通过理论计算并得出了锦源煤矿（4+5）煤层的垮落带高度18.5 m，高抽巷与回风巷的水平距离为48 m，高抽巷与煤层顶板的垂直距离为53.5 m，通过数值模拟软件Fluent对理论计算结果进行验证，确定了最佳高抽巷层位。
3）设计了高抽巷低负压抽采系统，现场瓦斯浓度监测结果表明高抽巷实现了瓦斯的高效抽采，避免了工作面瓦斯浓度超限。
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