单一厚煤层高强度开采瓦斯治理技术

白雁楠 肖旭诚

（1.山西潞安集团余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046000；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116）

余吾煤业3 号煤层有坚硬顶板，对其瓦斯治理已经开展了很多工作，形成了较为完善的技术手段，正常开采期间治理效果较好。但对于厚煤层高强度开采工作面瓦斯治理成套技术方面还没有针对性的研究。

刘泽功教授、戴广龙教授、石必明教授等通过理论分析、相似模拟、数值模拟的综合方法指出了高抽巷可抽采大量采空区及邻近层的卸压瓦斯[1]。袁亮院士指出瓦斯主要积聚在顶板裂隙发育区内，用数值模拟，研究了高抽巷位置的理想区域[2-5]。因此首先研究工作面回采过程中上覆岩层裂隙动态发育规律十分重要[6-7]。

本文以余吾回采工作面为研究模型，通过二维相似模拟试验和数值模拟研究采动过程中的周期来压规律、“三带”的分布规律，同时用模拟软件建立瓦斯流动模型，分析钻孔周围的瓦斯流动规律，确定高抽巷的位置。结合余吾煤业3 号煤层的瓦斯赋存规律确立余吾煤业3 号煤层瓦斯综合治理技术，保证工作面回采时的安全生产。

1 相似模拟

1.1 矿井概况

余吾煤业主采3 号煤层，3 号煤层位于二叠系山西组下部，为上煤组，平均埋深为550 m，对应的瓦斯压力为0.49 MPa，瓦斯含量为10.68 m3/t。煤层厚度范围是5.00～7.25 m，平均厚度为6.2 m。瓦斯含量预测值为10.68 m3/t，此时工作面相对的瓦斯涌出量是12.21 m3/t，对应的绝对瓦斯涌出量是67.83 m3/min。

1.2 相似模拟试验模型构建

基于余吾煤业3 号煤层S2107 工作面特征，进行相似模拟试验。

参数：胶带顺槽长1 762.8 m，回风顺槽长为1 727.5 m，高抽巷长1 685.5 m，切眼长252.7 m；回采斜距1 338.5 m，回采平距1 337.8 m，切眼斜距252.7 m，切眼平距252.5 m，斜面积338 239 m2。

图1 工作面煤层综合柱状图

本试验采用二维试验台，尺寸为长×宽×高=1800 mm×160 mm×1300 mm，采用平面应力模型。设几何相似，设容重比，要求模拟与实体所有各对应点的运动情形相似。在模型的铺设中每次铺设厚度都不得大于20 mm，并且要确保铺设的均匀平整，要在每层之间添加云母粉使其层理分明。合理有效的铺设是相似模拟试验的关键步骤。

1.3 试验过程

由于试验采用二维模拟试验台，推进方向选择平行于煤层，与采煤机割煤时的现象大体相同。试验用高像素照相机拍摄原始基准点的位置，按照大采高工作面的推进要求进行推进。

1.4 相似模拟试验结果

相似模型的结果显示，S2107 工作面顶板的初次来压为工作面推进约14 m 时发生，周期来压约在工作面每推进12 m 时发生。采高为6 m 时，冒落带的高度约为30 m，裂隙带的高度约40 m，这为高抽巷的布置提供了理论依据。

2 顺层钻孔抽采数值模拟

2.1 模型建立

根据矿井煤层的实际情况，设计抽采钻孔相关参数。3 号煤层厚度为6 m，长度设定为50 m，钻孔半径r。如图2 所示。

图2 钻孔布点几何模型

将煤层瓦斯基本参数赋值于模型，并赋予公式中需要的参数，如表1 所示。

表1 S2107 工作面参数设定表

2.2 顺层钻孔数值模拟试验结果

使用模拟软件分别得出单孔四周的瓦斯流动规律，图3 为不同抽采时间下的钻孔周围的瓦斯压力分布图。

通过图3（a）、图4 模拟可以看出，当抽采60 d 时，在抽采半径2 m 范围内压力几乎没有发生变化；抽采360 d 时，抽采半径2 m 范围内压力在0.35 MPa 以下，与之对应的瓦斯含量为8 m3/t；抽采720 d 时，抽采半径2 m 范围内压力在0.28 MPa附近，煤层瓦斯含量也降到了6.5 m3/t 附近。由于煤层的残余瓦斯含量为2.67 m3/t，故抽采效果已经十分明显。

图4 单孔抽采不同时间周围的瓦斯压力分布图

从图3（b）看出，以这种方式布置钻孔，在抽采60 d 时还不能很好地对抽采范围内煤层卸压，当抽采时间达到360 d 时，可以看出抽采范围内煤层大部分在卸压范围内；当抽采时间达到720 d 时，可以看出抽采范围内煤层全部卸压，起到显著的抽采效果。

图3 钻孔抽采周围的瓦斯压力分布图

3 高抽巷的布置

3.1 裂隙带位置确定

裂隙带常用经验公式计算法[4]、数值模拟法、应力计算法与现场实测法等来确定范围。

根据经验公式[4]，将煤层厚按5.92 m 带入可得：S2107 工作面冒落带最大高度范围为26.7 m，裂隙带最大范围为63.9 m，所以裂隙带的范围是26.7～63.9 m。

现场测定的最大高度为28.3 m 和61.5 m。

三种方法得出结果相差不大，故将裂隙带的高度范围定为29～62 m。

3.2 高抽巷位置的选择

为了使结果更为精确，通过模拟数据来确定高抽巷的最佳水平位置，使高抽巷具有最好的抽采效果。在垂直距离一定，抽采负压不变的情况下，模拟参数在距离回风巷的长度分别取10 m、20 m、30 m。最后得出的模拟结果如图5 所示。

图5 高抽巷与回风巷不同平距时采场瓦斯体积分数分布

从图5 看出，不同平距的高抽巷布置中，与回风巷平距为20 m 时，瓦斯浓度可达到26%到28%，并且抽采纯量也最大，达到了42 m3/min。因此高抽巷与回风巷平距为20 m 时，瓦斯抽采效果最好。

根据裂隙带的高度范围确定高抽巷竖直高度布置范围是30～40 m。综合考虑经济效益，在满足抽采效果的条件下尽可能降低高抽巷布置的高度。

综合可知，将高抽巷距煤层顶板的垂直距离设为30 m，距回风顺槽的平距为20 m。

4 现场试验

S2107 回风顺槽与胶带顺槽布置工作面平行预抽钻孔，设计孔深为150 m，开口位置距底板2 m，钻孔间距为4 m。施工完成后，回风顺槽侧布置有638 个钻孔，钻孔总长度为83 578 m，平均每个钻孔深度为131.3 m，胶带顺槽和开眼处布置有769个钻孔，钻孔总长度为109 288 m，平均每个钻孔深度为142.7 m。顺层钻孔在巷道煤壁上开孔，将水泥浆和聚氨酯混合使用作为封孔材料，封孔的长度应该至少大于巷道塑性区的半径。据煤巷周围应力分布的特点，顺层钻孔的封孔深度不小于10 m，以避开巷道周围裂隙发育的塑性区。抽采管路的负压为24 kPa。S2107 工作面顺层钻孔的布置如图6。

图6 工作面顺层钻孔布置图

对工作面开展的瓦斯抽采试验表明，瓦斯含量由原来10.68 m³/t，降到了6.5 m³/t，绝对瓦斯涌出量由原来的67.83 m³/min 降到了24.49 m³/min，顺层钻孔起到了很好的现场治理瓦斯的作用；当高抽巷开始全面有效地发挥作用，平均的瓦斯抽采量为13 m3/min，抽采量占了剩余绝对瓦斯涌出量的40%左右，工作面上隅角的瓦斯没有出现超限现象；风排瓦斯量的平均值为10.34 m3/min，回采时回风流最高瓦斯浓度、后溜机尾最高瓦斯浓度、上隅角最高瓦斯浓度都没有出现超限现象。回采期间工作面回风巷瓦斯浓度保持在较低水平，平均瓦斯浓度为0.52%，一直在安全界限之内。

5 结论

分析模拟结果，大采高开采，实际上工作面顶板初次来压为工作面推进约14 m 时发生，周期来压约在每推进12 m 时发生。从相似模拟试验中我们可以看出，6 m 采高时冒落带的高度约30 m，裂隙带的高度约40 m，这为高抽巷的布置提供了理论依据。

通过对工作面的瓦斯涌出量进行预测， 3 号煤层S2107 工作面相对的瓦斯涌出量是12.21 m3/t，与之对应的绝对瓦斯涌出量是67.83 m3/min。

使用模拟软件进行数值模拟，分析单个钻孔以及多个钻孔周围的瓦斯流动规律，发现布置钻孔在抽采时间达到360 d 时，抽采范围内煤层压力大部分在0.32 MPa以下，对应的煤层瓦斯含量为7.5 m3/t；但当抽采时间达到720 d 时，明显可以看出抽采范围内煤层压力在0.25 MPa 附近，煤层瓦斯含量也降到了6 m3/t 附近，能有效地降低工作面回采时的绝对瓦斯涌出量。

利用经验公式、现场实测与数值模拟三种方法，确定高抽巷的布置位置，即高抽巷距煤层顶板的垂直距离为30 m，距回风顺槽的平距为20 m。

根据顺层钻孔瓦斯抽采效果分析，抽采720 d时瓦斯抽采率达到了47.91%，煤层瓦斯含量由原来10.68 m3/t 降到了6.5 m3/t，绝对瓦斯涌出量由原来的67.83 m3/min 降到了24.49 m3/min，显著降低工作面的煤层瓦斯含量和回采时的绝对瓦斯涌出量。高抽巷平均瓦斯抽采量为13 m3/min，并与采空区长立管瓦斯抽采相结合，使工作面上隅角的瓦斯没有出现超限现象。