坚硬顶板综放工作面瓦斯治理技术研究

2021-07-04赵若鹏

煤炭与化工 2021年5期

赵若鹏

（西山煤电集团有限责任公司镇城底矿，山西太原030000）

0 引言

在矿井开采过程中，瓦斯问题一直威胁着矿山的安全，据统计21世纪由瓦斯引起的事故占据了3成左右。随着矿山机械设备的不断更新，矿井的开采速度不断加速，矿井的瓦斯治理难度不断加大。尤其是对于坚硬顶板方面，上隅角及风巷位置常常出现瓦斯聚集，严重影响着矿井的正常开采[1-2]。针对瓦斯治理难的问题，众多国内学者进行过一定的研究，此前黄旭超[3]为解决以往条带瓦斯预抽钻孔抽采浓度低、工程量大等问题，提出定向长钻孔瓦斯抽采技术通过施加4个定向长钻孔，单日瓦斯的抽采浓度最大高达73.8%，抽采纯量提升至23 017 m3/d，有效实现了定向条带的区域消突。张春璞[4]为消除煤层瓦斯突出的危险性，采用顺槽钻孔预抽技术来解决煤层瓦斯问题。通过对技术的实施及现场实践，确保了综采工作面的高效生产，提升了矿山经济效益。本文以镇城底矿28620工作面为研究背景，通过对工作面瓦斯涌出规律的研究，制定了相应的工作面上隅角瓦斯治理方案，为矿井瓦斯治理提供一定的参考及借鉴。

1 矿井概况及数值模拟研究

镇城底矿位于山西省古交市西北处，井田面积约16.63 km2，年设计生产能力为190万t。28620工作面地表位于王家坡村（已搬迁）以南，十字岩村（已搬迁）东北，元家山村（已搬迁）以东，兴能电厂排灰通道下方，地表沟谷纵横，地表标高1 140—1 248 m，盖山厚度为412～575 m，工作面周边有T4、435两个煤田地质钻孔，无煤层气孔、水源井和小窑。工作面井下位于南六下组采区，为南六下组采区首采工作面，南邻矿界，北东接下组煤回风、皮带、轨道巷，北东为28615工作面（现掘），其它为未采区。工作面上部2.3号煤工作面有22618工作面（已采）、22620（已采）和22620-1工作面（已采），工作面与上组煤2.3号煤层间距平均为79 m。

28620工作面回采过程中，由于工作面坚硬顶板的存在，造成采空区形成空腔，同时考虑到工作面采用放顶煤开采技术，使得采空区瓦斯赋存情况十分严重。当采空区出现冒顶时，采空区的瓦斯被大量挤出，严重影响工作面的安全。为了解决工作面开采初期的瓦斯超限问题，临时设置有抽采系统，通过埋管、插管来实现瓦斯抽采，但效果不佳[5-6]。

通过对工作面瓦斯含量进行测定可知，在回风巷的最大浓度约为0.42%～0.88%，一般平均浓度在0.3%～0.46%，上隅角的瓦斯浓度为0.68%～1.4%，一般平均浓度在0.45%～0.62%，再生产过程中上隅角瓦斯超限和工作面瓦斯超限分别出现19次和7次，因此解决瓦斯超限十分重要[7]。

2 数值模拟研究

为了更好的治理瓦斯超限问题，本文利用数值模拟软件对瓦斯运移规律进行一定的分析，首先在进行模型建立，采空区视为多孔介质，在采空区的瓦斯流动均遵循质量、能量、动量守恒定律。在采空区回采过程中，矿井设备、漏风等因素均会影响瓦斯运移规律的研究，本文作出如下假设，空气不可压缩；巷道为标准巷道，不考虑设备及变形的影响；不考虑采空区的漏风情况。建立进风巷长宽高分别为200、5、3 m；回风巷的长宽高分别设定为200、4、3 m；中间巷的长宽高分别为200、3.8、2.6 m。模型的冒落带和裂隙带分别设定为16.23 m和53.28 m。完成模型设定后对模型进行参数的设定。重力为9.8 N/kg，混合气体中的瓦斯密度设定为0.71 kg/m3，模拟采用质量入口边界，设定进风巷的风量为930 m3/min，进风巷的风量为19 kg/s，中间巷的空气密度为1.232 kg/m3，进风量为279 m3/min。模拟结果如图1所示。

图1 瓦斯分布浓度云图Fig.1 Cloud of gas distribution and concentration

由图1可以看出，工作面下部的采空区进风巷的浅部位置瓦斯浓度较小，而在工作面回风侧的深部浓度较高。根据走向的瓦斯分布规律可以看出，随着采空区宽度的增大，瓦斯浓度呈现出增大的趋势，但当采空区与工作面的距离增大到一定的程度时，此时的瓦斯浓度逐步趋于稳定。而在回风侧，随着采空区向着深部延伸过程中瓦斯浓度呈现逐步增大的趋势，瓦斯浓度分布面积也增大，同时对比可以看出，回风侧的瓦斯浓度明显更大。这主要是由于采空区的瓦斯浓度受到回风巷和进风巷的影响，越靠近回风巷的位置采空区瓦斯涌出量越大。根据层位和倾向的瓦斯浓度分布情况可以看出，层位越高，瓦斯浓度越大，这是由于质量密度决定的，瓦斯比重较低，浮于空气，所以层位越高瓦斯浓度越大[8-9]。而在倾向方向上由于风流的影响使得进风侧采空区的瓦斯浓度低于回风侧采空区浓度。采空区的瓦斯浓度分布是不对称的，越靠近上隅角位置的采空区瓦斯浓度越大，在距离工作面较远的采空区，由于风流影响较小，瓦斯浓度分布逐步趋于对称。

3 瓦斯治理研究

可以看出坚硬顶板综方面的采空区瓦斯大量聚集，同时瓦斯主要集中在采空区回风侧和顶端位置，在矿井正常生产过程中，采空区瓦斯随着风流涌入工作面，造成瓦斯超限。

在进行瓦斯治理时，首先需要进行合理的配风，当配风量较小时，工作面的瓦斯无法有效带出，当配风量较大时，则会增大采空区的漏风，因此要进行合理的配风[10]。在采空区进行埋管设计，在工作面的回风侧上端铺设1条管理，同时在距工作面开切眼40 m的位置布置弯管，在巷道的顶部设置三通风叉，用筛网对抽采管口进行保护。在回风巷抽采管道设置3～5个出口，同时利用长度10 m的钢丝橡胶管进行支路连接。采空区埋管、插管联合布置示意如2所示。

图2 采空区插管埋管联合布置示意Fig.2 Joint arrangement of cannulated and buried pipes in goaf

根据设计方法进行施工，对采空区瓦斯进行抽采，为了验证方案的可行性，对抽采气体的含量及指标进行一定的统计研究，首先对临时泵的抽采数据进行分析。混合流量及抽采瓦斯浓度统计图如3所示。

由图3可知，移动泵站的主管路抽采的流量为32.99～54.92 m3/min，管路超粗爱的瓦斯浓度平均比例约为2.64%，主管路的最大抽采浓度占比为3.57%，采空区瓦斯的抽采量总值为52 385.9 m3。瓦斯抽采随着工作面的推进，瓦斯抽采率大部分超过20%，仅仅在工作面推进至380 m附近时瓦斯抽采率低于20%，这是由于随着工作面的推进，钻孔抽采的效果逐步降低，整体瓦斯抽采效果较好。