坚硬顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术的应用

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1 前言
煤炭资源作为我国最为重要的基础能源，其在我国国民生产中占据着及其重要的位置。

据统计在我国开采过程中，约6成以上的矿井面临着瓦斯危险，所以对瓦斯事故进行治理对于矿井开采是十分重要[1]。

随着我国开采深度的不算增加，煤层瓦斯压力逐步增大，工作面上隅角瓦斯超限的问题逐步凸显。

在进行厚煤层、坚硬顶板巷道进行开采时，工作面上隅角的瓦斯超限问题尤为明显，所以对坚硬顶板巷道进行瓦斯治理是十分重要的，此前众多学者对坚硬顶板瓦斯治理技术进行过一定的研究[2]，本文以腾晖矿2202工作面为研究背景，对工作面瓦斯运移规律进行研究，并给出瓦斯治理技术，为高瓦斯矿井安全开采提供一定的保障。

2 矿井瓦斯研究
腾晖矿位于山西乡宁县枣岭乡店沟村，井田面积约 26.17 km 2，矿井西北走向 6.6 km，南北走向平均宽度约为3.6km，矿年设计生产能力120万吨/年，主要可采煤层为山西组2＃煤层，煤层厚度为3.2-5.9米，平均厚度为5.3米，煤层倾角平均为3°。

巷道顶板主要为泥岩、粗砂岩、炭质泥岩和细砂岩等，通过力学实验对工作面顶板的力学属性进行试验，发现工作面顶板抗拉强度为2.6MPa，单轴抗压强度为33.5MPa，2202采煤工作面顶板为坚硬顶板。

工作面设计通风量为930m 3/min，后期由于通风效果不佳，将通风量增大至1200m 3/min。

由于2202工作面顶板属于坚硬顶板，使得采空区形成空腔，造成采空区瓦斯超限，虽临时增加抽采设备，但效果不佳。

对矿井工作面的瓦斯涌出规律进行分析研究，在回风巷内部布置21个瓦斯检测点，每个监测点距离设定为20m，对回风巷瓦斯进行研究，回风巷瓦斯浓度分布图如1所示。

从图1可以看出，工作面回风巷瓦斯含量最大值为3.32m 3/t，瓦斯最低含量为1.84m 3/t，回风巷的平均瓦斯含量为2.35m 3/t，工作面瓦斯解吸量最大
值为2.05m 3/t，瓦斯解吸量最小值为0.5m 3/t，回风巷的平均瓦斯解吸量为0.97m 3
/t。

图1 回风巷瓦斯浓度分布图
为了对工作面瓦斯进行有效治理，首先利用数值模拟软件对采空区瓦斯运移特性进行研究，，选定数值模拟软件Fluent，首先进行数值模拟模型建立，将采空区视为多孔介质，介质内部满足动量、质量及能量的守恒，根据腾晖矿2202工作面的实际情况设计采空区沿走向的长度的200m，进风巷的宽度、高度分别为5m×3m，回风巷宽度、高度分别为4m×3m，设定空气中瓦斯含量为0.71kg/m 3，Y型通风下采空区瓦斯模拟结果如
图2所示。

图2 Y型通风下采空区瓦斯模拟云图
从图2可以看出，在采空区的回风侧深部出现瓦斯集中，同时随着工作面与采空区距离的增加，瓦斯浓度呈现出逐步增大的趋势，但增大的趋势不是一直增加的，当采空区与工作面 的距离增大至一定范围时，此时的瓦斯浓度趋于稳定，不会发生大的变化。

在回风侧的瓦斯浓度普遍大于进风侧瓦斯浓度，这是由于距离回风巷的位置越近，回风巷的瓦斯涌出现象越明显，所以瓦斯浓度越久越大。

根据分析可知在采空区瓦斯超限主要集中于顶部位置，所以在进行瓦斯治理时需
坚硬顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术的应用
赵镇阳
霍州煤电集团云厦建筑工程有限公司 山西 霍州 031400
摘要：为了解决坚硬顶板瓦斯超限的问题，本文以腾晖矿2202工作面为研究背景，通过数值模拟结合现场实践对矿井瓦斯治理进行研究，通过模拟确定瓦斯在巷道分布规律，利用高位钻孔对瓦斯进行抽排，经过现场实践验证了方案的可行性及优越性，为矿井高效、安全开采做出一定的贡献。

关键词：坚硬顶板 瓦斯超限 数值模拟 现场实践
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要更加重视采空区顶部瓦斯治理。

3 瓦斯治理研究
对腾晖矿瓦斯进行治理，选定高位钻孔瓦斯抽采技术，在工作面回风侧的位置布置一排钻孔，钻孔的走向为沿着煤层走向，利用钻孔对采空区裂隙带和冒落带瓦斯进行抽采，高位抽采不仅可以将采空区的瓦斯进行抽排，同时也可以切断与上层采空区瓦斯的联系。

通过将采空区瓦斯进行抽排，可以有效解决采空区瓦斯的涌出，提升工作面安全性。

在进行瓦斯治理时，首先需要对采空区覆岩的三带进行确定，在垂直方向上三带分布由上至下可以分为冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，冒落带是由于随着工作面的推进直接顶在自重作用下出现弯曲，当自重大于其承载极限时，岩石发生断裂。

冒落带按照冒落形式可分为不规则和规则冒落两种。

随着工作面的不断推进，使得冒落岩块大量堆积，采空区被压密，此时瓦斯在从采空区的运移难度增加。

裂隙带是位移冒落带以下，由于冒落使得岩层出现离层，此时岩层由于离层出现裂隙，裂隙一般分为水平裂隙和垂直裂隙，裂隙带的存在使得岩层内部瓦斯运移难度减小。

弯曲下沉带时在裂隙带下部由于岩层处于弹性变形和塑性变形之间，在自身重力作用下岩层沿着层面出现弯曲，由于岩层弯曲，此时岩层的密实度增大，瓦斯的运移及扩散遭受到一定的阻隔，但考虑到弯曲下沉带垂直方向一般不发育，所以在考虑瓦斯抽采时不做考虑，经过计算可知腾晖矿的冒落带高度均值为16.2m，裂隙带高度均值为53.2m。

进行高位钻孔布置，由低至高布置一段倾斜钻孔，最终的钻孔布置至裂隙带。

由于随着开采的推进，使得冒落带也逐步推进，受到钻孔布置参数的影响，使得在高位段瓦斯抽采效果有所降低，所以为了保证抽采的效果，在钻孔布置采用压茬的方式，根据计算得出压茬的长度设定为37m-45m，所以最终选定压茬长度为41m。

钻孔钻高设定为12m，钻场的布置为沿着回风巷方向，每个钻场设置10个钻孔，钻孔呈现扇形布置，分为上下各5个，在上端钻孔的间距选定为0.4m，在底端布设的钻孔孔径为6m，钻孔均采用水泥砂浆进行封堵。

完成现场施工后对瓦斯浓度及瓦斯抽采效率随工作面推进的变化曲线进行分析，如图3所示。

如图3所示可以看出，随着工作面的推进工作面瓦斯浓度大致呈现出逐步降低的趋势，在工作面推进距离为345m时，此时的瓦斯浓度最大为 3.6%，当工作面推进至405m时，此时的瓦斯浓度最小为2.1%。

同样的观察瓦斯抽采率随工作面推进变化曲线可以看出，当工作面推进345m时，此时的瓦斯抽采率最大为52%，当工作面推进至394m位置时瓦斯抽采率最低仅为18%。

从以上分
析可以看出，钻孔抽采治理瓦斯方案的可行性。

（a）瓦斯浓度随工作面推进变化图
（b）瓦斯抽采率随工作面推进变化图
图3 瓦斯浓度及瓦斯抽采效率随工作面推进的变化曲线
4 结论
（1）通过对原巷道工作面回风巷瓦斯含量进行分析发现，回风巷的平均瓦斯含量为2.35m3/t，回风巷的平均瓦斯解吸量为0.97m3/t。

（2）利用数值模拟发现，在采空区的回风侧深部出现瓦斯集中，同时随着工作面与采空区距离的增加，瓦斯浓度呈现出先增大后平稳的趋势。

（3）通过计算给出了腾晖矿的冒落带高度均值为16.2m，裂隙带高度均值为53.2m。

利用高位钻孔对巷道瓦斯进行治理，通过现场实践验证了治理方案的可行性，为矿井安全开采提出建议。

参考文献
[1]邢化强，张琪.综采工作面回风隅角瓦斯治理技术实践[J].山东煤炭科技，2021，39（3）:99-100.
[2]张少彦.煤矿井下瓦斯治理方案及通风系统优化[J].当代化工研究，2021（6）:67-68.。