大采高工作面采空区瓦斯抽采技术应用

王超远 杨振宁

（1.神东煤炭集团公司寸草塔二矿，内蒙古 鄂尔多斯 017209；2.阳泉市上社煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045100）

1 工程概况

阳泉市上社煤炭有限责任公司（上社煤矿）位于盂县南娄镇北上社村南，开采15#煤层位于太原组（C3t）底部，为主要可采煤层，煤层厚4.3～5.9 m，平均厚度5.0 m。回采工作面最大瓦斯涌出量为40.13 m3/min。15#煤层回采工作面采用条带式布置，15115 回采工作面是其第七个工作面。本工作面采用倾向长壁后退式综合机械化采煤法，其北部为15117 工作面（未采掘），南侧为已回采的15113工作面，东为回风大巷，西侧为井田边界。工作面井下标高+744～810 m。15115 综采工作面采用本煤层、采空区瓦斯抽采进行瓦斯治理。往期工作面回采期间，上隅角瓦斯常出现超限情况，影响矿井的安全高效生产。鉴于此，以15115工作面为工程背景，对采空区瓦斯抽采技术进行优化研究。

2 覆岩垮落规律相似模拟研究

以15115 工作面及上覆岩层为工程背景建立相似物理模型，模拟分析工作面回采期间沿工作面推进方向上覆岩层的裂隙演化分布规律，为采空区瓦斯抽采技术的设计优化提供指导。采用钱鸣高院士的关键层理论对工作面上覆岩层进行判别，得到模型柱状图原型如图2。模型几何相似比1:100，应力相似比1:150，上覆岩层模拟总厚度为102 m，剩余岩层不再模拟。经计算将上覆岩层等效为0.04 MPa的垂直应力。模型主要材料为河沙、石膏、水、云母粉，模型底部为固定约束，两侧其前后边界设置单向位移约束。模型初次开挖位置距模型边界30 cm，共开挖140 cm，模拟工作面回采140 m。

图1 15115 工作面布置平面图

图2 岩层柱状图及模拟结果

工作面推进140 m 后，上覆岩层运移垮落规律如图2（b）。岩体宏观裂隙开度大于3 mm 即为发育裂隙[1]，物理模型相似比1:100，则模型上可见裂隙均为发育裂隙。顶板岩层一定高度范围内横向、竖向裂隙交叉贯通，岩层被分割成各种形状的块体，块体间裂隙缝隙较大，该部分岩层可判断为冒落带。横向裂隙与竖向裂隙的形成是相互影响的，岩层离层后产生横向贯通大裂隙，但竖向裂隙未贯通发育，岩层未碎裂成块，该部分岩层可判定为裂隙带。根据以上原则可得，15115 工作面采空区冒落带发育高度17.5 m，裂隙带高度范围为17.5～58.5 m。

随着工作面的回采，采空区中间部分的冒落岩石将重新压实挤密，中部形成压实区，采空区四周一定宽度的裂隙区形成“O”形圈[2]。该区域岩层离层产生大量贯通裂隙，采空区煤岩体解吸出的瓦斯赋存于该区域，形成瓦斯富集“O”形区域。以工作面推进74 m 和115 m 为例，水平方向裂隙区、压实区分布情况如图3（a），切眼方向采空区边界处裂隙区宽度为27 m，紧邻工作面后方裂隙区宽度分别为19 m、21 m。由此可知，工作面后方0～20 m 为裂隙发育区。结合15115 工作面采掘工程平面图及“O”形圈理论，可知采空区瓦斯运移情况如图3（b）。采空区上部裂隙带形成高位高浓度瓦斯流动圈，该部分瓦斯主要通过高位钻孔进行抽采，工作面后方裂隙区形成低位低浓度瓦斯流动带。这两个区域的瓦斯可通过裂隙、裂缝运移至回采工作面，是导致工作面风流、上隅角瓦斯浓度升高的重要因素。因此低位瓦斯流动带可采用埋管抽采技术。

图3 采空区水平方向裂隙区及瓦斯运移规律

3 “O”形圈瓦斯层位探测及抽采设计

3.1 瓦斯富集区探测

采场覆岩裂隙带发育范围为17.5～58.5 m，为确定最佳的高位钻孔布置层位，需进一步掌握采空区瓦斯垂直方向的分布情况。因此，在15115 工作面回采初期，通过探测钻孔监测采空区覆岩内瓦斯浓度。探测孔钻场设置在15115 回风顺槽，距切眼100 m，终孔位置与回风顺槽实体煤帮相距30 m，距15115 开切眼20 m，垂直高度分别为20 m、30 m、40 m，探测钻孔布置如图4（a）。钻孔端头处甲烷传感器监测结果如图4（b）。

图4 采空区瓦斯区实测

低位探测孔抽采瓦斯纯量为0～0.12 m3/min，瓦斯浓度一直保持在9.0%左右，低于12%，抽采流量为0～5.3 m3/min，平均为0.5 m3/min，抽采瓦斯浓度较低，抽采量及抽采纯量均较小；中位探测孔抽采瓦斯纯量为0.02～0.32 m3/min，瓦斯浓度在14.9%～22.8%间波动，平均值约为18%，抽采流量为0.6～6.5 m3/min，平均为3.3 m3/min，瓦斯浓度稳定且较高，抽采流量较大且较稳定；高位探测孔抽采瓦斯纯量为0.01～0.10 m3/min，瓦斯浓度在6.4%～21.7%间波动，平均值约为13%，抽采流量为0.2～2.0 m3/min，平均为1.0 m3/min，瓦斯浓度波动变化较大，抽采流量较小。综上，中位瓦斯探测孔瓦斯含量显著高于其余两个探测孔，即说明高位瓦斯抽采钻孔的布置垂直层位为6 倍采高（30 m）。

3.2 高位钻孔与回风顺槽水平距离分析

采空区高位钻孔与回风顺槽水平距离过近，很可能出现抽出气体与巷道内气流连通，无法抽到高浓度瓦斯；如果距离过远可能位于采空区中部的重新压实区域，难以达到预想的效果。参阅相关研究成果[3-4]，抽采钻孔在水平方向与顺槽的距离x应满足：

依据上社煤矿15115 工作面开采技术条件，采空区覆岩卸压角为δ=57°，煤层倾角θ=5°，工作面长度L=200 m，冒落带高度H=17.5 m，计算可得9.3 m ≤x≤66.7 m。

4 采空区瓦斯综合抽采技术

4.1 高位钻孔布置方案

根据15115 工作面开采技术条件，结合相似模拟研究及理论计算结果，15115 工作面可采长度约1500 m，共布置11 个钻场，钻场间距130～150 m，由外向里依次编号为1#～11#钻场。以11#钻场为例，其高位钻孔布置方式如图5。高位钻孔通过回风顺槽L 型钻场施工，钻场内错回风顺槽10 m 布置，钻场在煤壁开口底板抬高1.5 m，钻场施工处距煤层顶板3.0 m，每个钻场布置12 个高位钻孔，钻孔终孔处垂直层位分别为25 m、30 m、35 m，与回风顺槽内错距离10～40 m，钻孔直径153 mm。

图5 15115 工作面高位钻孔布置详情（mm）

4.2 埋管抽采低位瓦斯

工作面后方0～20 m 裂隙区内瓦斯采用后落山埋管技术进行抽采，确保上隅角瓦斯浓度不超限。抽采管干路直径为500 mm，布置在回风顺槽内，采空区埋管直径为400 mm，管壁上预先加工多个小直径筛孔作为进气口，埋管间距为4 m，抽采负压为15 kPa。

5 瓦斯治理效果分析

为验证15115 工作面采空区综合抽采技术的应用效果，在每个孔口处装置有孔口流量监测器。以11#钻场的9#钻孔为例，其抽采瓦斯浓度及流量如图6。

图6 钻孔瓦斯抽采量、抽采浓度

工作面与钻场距离110～200 m，钻孔未进入工作面回采上方，钻孔进入工作面回采范围内，瓦斯浓度升至峰值54%，瓦斯流量也达到峰值3.2 m3/min，之后瓦斯浓度在45%上下波动，瓦斯流量在2.5 m3/min 上下波动，抽采瓦斯浓度较高，流量稳定，抽采效果良好。15115 工作面回采期间，瓦斯总涌出量平均为20.8 m3/min，风排瓦斯流量平均为9.5 m3/min，抽采总量平均为11.3 m3/min。实施瓦斯综合治理措施后，工作面瓦斯抽采率平均值为54.33%，抽采效果良好，工作面风流及上隅角瓦斯浓度稳定在0.4%左右，保证了工作面的安全回采。

6 结论

（1）依据15115 工作面地质条件，相似模拟研究得到采空区覆岩冒落带发育高度为17.5 m，裂隙带高度范围为17.5～58.5 m，工作面后方低位裂隙区宽度为20 m。

（2）现场实测表明，距煤层顶板30 m 层位瓦斯浓度较高，高位钻孔与回风顺槽水平距离合理范围为9.3 m ≤x≤66.7 m，据此设计高位钻孔的布置方案，并设计采空区埋管抽采低位裂隙区内瓦斯。

（3）15115 工作面回采期间，高位钻孔瓦斯单孔抽放量可达2.5 m3/min，工作面瓦斯抽采率均值54.33%，工作面风流及上隅角瓦斯稳定0.4%左右，瓦斯综合抽采效果良好，保障了工作面的安全生产。