翟国华

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司 ，山西 方山 033100）

1 工程概况

图1 3107工作面示意图

阳煤集团新元矿为煤与瓦斯突出矿井，其绝对瓦斯涌出量为196.727m2/min，相对瓦斯涌出量为43.27m3/t。本次研究对象为3107工作面，其西侧为3106工作面采空区，工作面主采3号煤层，3号煤层均厚2.64m，平均倾角4°，属于赋存稳定的近水平煤层，煤层上覆直接顶为厚度3～6m的砂质泥岩为主，基本定以厚度为2～3m的中粒粉砂岩为主，下覆底板岩层为砂质泥岩，其平均厚度为2.98m。3107工作面各巷道均为沿顶掘进巷道，采用Y型通风方式，进风巷和辅助进风巷为进风巷道，辅助进风巷采用沿空留巷技术，随采随保留，污风沿辅助进风巷留巷进入回风巷回风，其采掘工程平面图如图1所示。

2 Y型通风系统下采空区瓦斯分布特征

2.1 模型建立

根据新元矿3107工作面上覆岩层的物理力学参数，同时借鉴类似矿井经验[1]，通过Fluent软件建立3107综采工作面Y型通风系统模型，来研究本工作面在Y型通风系统下的采空区瓦斯分布特征。在模型中将各种巷道简化为长方体，工作面长度取240m，采空区走向长度为350m，高度为煤层厚度2.64m；主、副进风巷和回风巷高度均为3m，宽度取5m、4.8m、4.2m，巷道长度20m；沿空留巷高度和宽度分别为3m和5.2m，长度取350m；工作面上方垮落带和裂隙带的高度分别为10m和26m。在模拟中压力为指向z轴负方向的一个大气压，9.8m/s2。主、副进风巷的入口边界条件设置为2.30m/s、0.69m/s的速度入口，进风风流由0.79的氮气和0.1的氧气组成；回风巷出口边界条件设置为自由流出。

2.2 数值模拟结果分析

如图2为沿工作面推进方向在x轴上，x=10m、40m、100m、200m时截取采空区的瓦斯浓度分布竖直截图。

图2 沿工作面推进方向x=10m、40m、100m、200m时采空区瓦斯浓度分布规律

观察图2发现，随着采空区深度的不断增加，瓦斯浓度也不断增加，当采空区深度达到一定距离时，瓦斯浓度增速缓慢并趋于稳定。在采空区距工作面0～30m范围内，由于受工作面进风流影响，该范围内瓦斯浓度较低，约5%，且变化不明显，回风巷一侧的瓦斯浓度仅为0.5%左右；在采空区距工作面30～200m范围内，随着距工作面距离的增加，采空区瓦斯浓度迅速升高，并且回风巷一侧的瓦斯浓度也迅速上升；在采空区距工作面200m以外的范围内，随着距工作面距离的增加，采空区瓦斯浓度达到最大值并趋于稳定。

图3 沿工作面不同宽度时采空区瓦斯浓度分布规律

图3 所示为沿工作面不同宽度y=20m，y=120m，y=220m时采空区瓦斯浓度分布规律。观察图3可发现，随着沿工作面宽度方向距离的不断增加，瓦斯浓度迅速增大。且回风侧瓦斯浓度远大于进风侧瓦斯浓度，这是由于Y型通风系统和沿空留巷的密闭使大量的瓦斯在通风压力的作用下，积聚在沿空留巷密闭处及上部区域所致。虽然这样的方式可以有效降低上隅角瓦斯浓度，但是会使大量的瓦斯在采空区积聚造成安全隐患，因此需要采用高位钻孔抽放和采空区埋管抽放瓦斯的方法来接触该安全隐患。

图4 距底板不同高度时采空区瓦斯浓度分布规律

图4 为距底板不同高度 z=0m，z=2.5m，z=8m，z=20m时采空区瓦斯浓度的分布规律。观察图4发现，随着距底板高度的不断增加，瓦斯浓度总体上呈增大趋势。顶板附近的瓦斯浓度大于底板附近的瓦斯浓度。在距底板0～10m范围内，瓦斯浓度较低；在距底板10～20m范围内，由于到达覆岩裂隙带，所以随着高度的增加瓦斯浓度迅速升高；在距底板20m以上的范围内，裂隙逐渐减少，瓦斯浓度增幅变小，并趋于稳定。

综上所述，当工作面由原来的U型通风改为Y型通风方式时，可以有效缓解工作面上隅角瓦斯浓度过高问题，然而有新的问题产生，即在沿空留巷密闭墙及其上部空间内有瓦斯积聚现象产生，对工作面安全生产造成很大威胁，基于上述分析，采取本煤层抽采、高位钻孔抽放与采空区埋管抽放相结合的方式来对留巷内瓦斯进行治理。

3 瓦斯综合治理技术[2-3]

3.1 采前本煤层钻孔进行瓦斯抽采

沿3107进风巷和3107辅助进风巷全长布置本煤层瓦斯抽采钻孔，钻孔间距按1m计，钻孔直径取120mm，钻孔深度取130m，两巷内的钻孔形成重叠交叉，重叠交叉长度为20m，累计共布置1500个钻孔，通过布置本煤层钻孔对工作面瓦斯进行预抽，以降低工作面回采过程中的瓦斯涌出量，具体如图5所示。

图5 本煤层钻孔预抽瓦斯

3.2 高位钻孔瓦斯抽采[4]

高位瓦斯抽采钻孔沿3107回风巷进行布置，每组分高、低位孔各一个，高位孔长度为43m、倾角为42.2°，低位孔长度为43.6m、倾角为25.5°，各组钻孔间的孔间距为15m。由相关资料可知，3107工作面上覆岩层裂隙带发育高度为10～330m，因此高位瓦斯抽采钻孔的终孔垂直高度不应低于30m，同时考虑工作面回采而产生的卸压角，瓦斯抽采转钻孔的终孔水平距离应超过3107辅助进风巷10～30m。瓦斯抽采钻孔施工可选用ZDY-400L型钻机，其钻头及钻杆直径分别为193mm和73mm，钻孔施工如图6所示。

图6 高位瓦斯抽采钻孔布置示意图

3.3 采空区埋管抽放瓦斯[5]

为对工作面采空区瓦斯进行治理，参考相邻工作面采空区瓦斯浓度分布规律，可知距离3107工作面后方不同距离瓦斯浓度呈现不同的涌出规律，大致可分为3个区域，滞后回采工作面后方0～20m范围内瓦斯大量向后方涌出，但该区域瓦斯浓度响度较低；滞后回采工作面后方20～40m范围属于一个过渡区域，瓦斯浓度相对适中；滞后回采工作面后方40m范围为采空区瓦斯滞留区域，该区域的瓦斯浓度最高，需要重点进行防治。因此，为了将采空区瓦斯安全高效采出，在滞后回采工作面0～80m范围由留巷向采空区布置瓦斯抽放管，瓦斯抽放管埋设于顶板下方500mm的密闭墙内，埋管间隔为15m，瓦斯抽放管直径和长度分别为190mm、2500mm，其穿过密闭墙进入采空区内，同时需要在管口加装过滤网和排渣器，可对破碎煤岩及粉尘起到很好的抑制作用，防止其进入抽放管而导致堵塞现象的发生，采空区内瓦斯管路布置如图7所示。通过布置瓦斯抽采管路数量及控制管路阀门开启程度可有效对采空区内瓦斯进行抽采，对采空区瓦斯积聚有很好的控制作用。

图7 采空区埋管抽放示意图

3.4 瓦斯综合治理效果

表1 三种抽放瓦斯技术的抽放效果

在3107工作面采用三种瓦斯抽放技术后，通过对现场瓦斯抽采数据的整理，绘制如表1所示抽放效果表。采前本煤层钻孔、高位钻孔及采空区埋管三种方法得到的平均瓦斯抽放量分别为3.5m3/min、27.2m3/min、3.13m3/min，三种方法累计瓦斯抽放量为33.83m3/min，瓦斯的综合抽放率为53.3%。现场监测效果表明，在Y型通风工作面采取综合瓦斯抽采措施后，工作面瓦斯浓度可以实现明显降低，浓度基本处于0.4%以下，瓦斯抽采治理效果明显，基本解决了工作面回采过程中上隅角、采空区、回风流中瓦斯含量较高的问题，实现了工作面安全高效回采及矿井安全。

4 结 论

1）通过Fluent软件建立3107综采工作面Y型通风模型，研究本工作面在Y型通风系统下的采空区瓦斯分布特征，当工作面由原来的U型通风改为Y型通风方式时，可以有效缓解工作面上隅角瓦斯浓度过高问题，然而有新的问题产生，即在沿空留巷密闭墙及其上部空间内有瓦斯积聚现象产生，对工作面安全生产造成很大威胁，需采取相关瓦斯治理措施。

2）通过现场实测发现在采取采前钻孔进行瓦斯抽采、高位钻孔瓦斯抽采及采空区埋管抽放瓦斯的综合治理措施后，工作面瓦斯浓度可以实现明显降低，浓度基本处于0.4%以下，瓦斯抽采治理效果明显，基本解决了工作面回采过程中上隅角、采空区、回风流中瓦斯含量较高的问题，实现了工作面安全高效回采及矿井安全。