综采工作面初采期间瓦斯分析

综采工作面初采期间瓦斯分析

 何本洋

贵州大西南矿业有限公司，贵州省毕节市 551802

摘要：近年来，随着中国互联网技术的不断发展，时刻影响着煤矿业的发展，在煤矿业转型的关键阶段，合理地引用自动化技术，可以有效提升煤矿业的发展。只有具备自动化的设备和技术上的人才，才能合理有效的得到生产上的效益，并且才能确保煤矿产业在当今社会的有力转型。目前工作面单机自动化开采（即一次采全高）已经趋于成熟，但初采期间瓦斯处理还处于探索阶段，无法实现真正意义上的智能化、常态化运行。下面本文就综采工作面初采期间瓦斯进行简要分析。

关键词：综采工作面；初采期间；瓦斯；

1 综采工作面开采现状

断层是开采与挖掘过程中最突出的地质结构之一，我国作为传统的采煤生产国，目前在作业面断层的技术开发已经比较成熟了。在采掘领域，我国煤矿综合机械化回采技术已经有了比较普遍的运用和普及了，由于有一些断层的存在，再加之四周破碎的岩石，在其中就很容易贮存许多气体和水分，当作业面经过这种地方时，一旦防范措施不到位，就会出现一些致命的危险，作业面就会陷入巨大的危险之中。中国煤矿综合机械化回采作业面断层也是开采过程与巷道施工中最突出的地质构造，它的出现就很容易使附近的破碎岩石中积聚大量的水分与气体。所以要减少工作面上煤矿事故的出现，就应该提高工作人员的安全意识，实现矿井的安全生产，有效经营以及对相应煤炭资源进行合理的开发和利用，有效促进国家经济发展和社会进步。矿井的综合机械化回采工作面在实际使用中一般都会出现过断层问题，为了达到对综采工艺技术的合理利用和发挥，就必须对矿井综合机械化回采工作面的过断层采煤工艺技术加以深度探讨和深入研究，因此总结综采工作面过断层的有关问题以及常用工艺技术操作原理，对矿井的综合机械化回采工作面过断层采煤工艺技术加以深度探讨就有着重要意义。

2 矿井概况及数值模拟

研究某矿位于我省西北150km，井田面积14.4km2，设计生产能力120万t/a，18503工作面现主要开采8#、3#层，井田结构相对简单，主要构造形式为单斜伸构造，井田的地层倾角平均值在5°左右，18503工作面现主要开采太原组8#层，层厚度3.2m~6.0m，层的平均厚度为5.6m。18503工作面所开采的8#层属于渗透性层，瓦斯吸附能力强、透气性差、衰减快，属于较难抽采层，其中18503工作面层瓦斯含量约为11m3/t，根据近期的瓦斯参数测定结果，残余瓦斯含量为5.5ｍ３/ｔ，残存瓦斯含量为1.36 ｍ３/ｔ，回风流瓦斯浓度最高1.76％，高抽巷和裂隙带抽采开始起作用后基本稳定在0.65％左右。

巷道瓦斯压力0.9MPa，在巷道进行开挖前需要将巷道内瓦斯含量降低至8m3/t，18503工作面的右侧为N18503采空区，左侧为北风井东翼回风巷，工作面的顶板由泥岩和粉砂岩组成，目前瓦斯浓度按照其分布情况可分为涌出带、过渡带及滞留带，其中涌出带位移工作面眼20m范围内，此时的瓦斯浓度大致为10%以下，在此区段内瓦斯运动速度较快，且多为层流；过渡带载开眼20m~50m的范围内，此时瓦斯浓度大致分布在10%~20%，在此区段内瓦斯多呈紊乱交错状态；滞留带为距离开眼50m以上，此时的瓦斯浓度分布在20%~30%之间，在此段内瓦斯流动速度较低。底抽巷瓦斯抽采是指在底抽巷内向层内打穿层钻孔抽采层瓦斯，此时由于钻孔的存在使得钻孔周边的围岩应力出现重新分布，钻孔使得岩内部原生裂缝及人工裂缝增多，瓦斯通过裂缝沿着钻孔进行排除，以此达到瓦斯抽采消突的目的。底抽巷及钻孔布置，如图1所示。

图 1 底板抽采预抽瓦斯示意图

在进行底抽巷位置选定时，较多的因素对其有所影响，因此对不同垂距及不同岩性下底抽巷抽采方案进行对比分析，方案1垂距12m，布置于粉砂岩中；方案2垂距15m，布置于粉砂岩中，方案3垂距20m，布置于粉砂岩中，对三种方案进行分析，首先进行模型的建立，结合18503工作面的实际情况，建立长方体模型，模型的长宽高分别为100m×100m×20m，完成模型建立后根据实际地质情况对模型的力学参数进行设定，设定完成后对网格进行划分，网格划分后共有88520个单元格，完成划分后对模型的边界条件进行设置，固定模型四周的位移，同时对模型上端部施加覆岩自重13MPa，模型选用摩尔库伦模型为本构模型，完成模型设定后对模型进行模拟计算，应力模拟云图如图2abc所示。

图2a 垂距 H 为 12 m

图2b 垂距 H 为 15 m

图2c 垂距 H 为 20 m

从图2可以看出，在回采及地应力的作用下，底抽巷的两帮位置出现一定的应力集中，且随着垂距H的增加，巷道围岩的垂直应力值呈现增大的趋势，当垂距H为12m时，此时的垂直应力最大值为20.48MPa，当垂距H为15m时，此时的巷道垂直应力最大值为22.11MPa，此时较垂距12m应力值降低了1.63MPa，当垂距H为20m时，此时的巷道垂直应力最大值为26.27MPa，此时较垂距15m应力值降低了5.79MPa。同时随着垂距的增大，巷道两帮的应力集中范围有一定的减小，所以底抽巷距离层距离越近，受到掘进的影响越大。根据对比分析最终选定底抽巷的布置位置为垂距12m，布置于粉砂岩之中，此时的巷道施工成本最低且巷道的围压应力良好，有利于层瓦斯的抽排。对底抽巷钻孔影响直径进行分析，选定抽采、负压为15kPa，抽采的直径分别为94mm，抽采天数分别选择30d、60d、90d、120d、150d，抽采有效半径随瓦斯抽采时间变化曲线如图3ab所示，在一定抽采天数下不同负压抽采有效半径变化曲线如图3ab所示。

图3a不同抽采时间（D=94 mm，p=15 k Pa）

图3b 不同抽采负压（D=94 mm，T=120 d）

从图3可以看出，当钻孔直径和抽采负压一定时，此时随着抽采时间的增加，底抽巷钻孔抽采有效半径呈现逐步增大的趋势，当抽采时间为30d时，此时的钻孔有效抽采半径为0.97m，当抽采天数增大至60d时，此时钻孔有效抽采半径为1.23m，当抽采天数增大至150d时，此时的巷道抽采有效半径为4m。同时对比不同抽采负压下的钻孔抽采有效半径发现，随着负压的增大，抽采有效半径几乎类似于平行直线，所以负压对钻孔抽采有效半径的影响较小，所以在进行现场实践时可以充分利用模拟结果进行设计。

3 现场实践研究

根据模拟研究进行现场实践，选定18503工作面的回风顺槽进行验证研究，底抽巷布置按照模拟选定的方案进行设置，在底抽巷进行钻孔，钻孔直径选定为94mm，抽采的负压选定为15kPa，分别设定11个钻孔，在第5个～11个钻孔进行水力冲孔，完成冲孔后进行瓦斯抽采，瓦斯抽采曲线，如图4所示。从图4可以看出，经过水力冲孔后瓦斯抽采的浓度及瓦斯纯量均有了明显的增加，在前4个钻孔抽采的浓度均值为44.8%，抽采的纯流均值为0.18m3/min，而经过冲孔后瓦斯抽采的浓度均值为75%以上，瓦斯抽采的纯流均值为0.33m3/min，可以看出经过冲孔后钻孔瓦斯抽采浓度较未经水力冲孔提升了30%，而抽采纯量同样提升了15m3/min，所以底抽巷水力冲孔效果明显，抽采效果极佳。

图 4 瓦斯抽采曲线

结论

1）通过数值模拟对不同底抽巷布置方案下巷道应力云图进行分析，确定了当垂距H为12m时，底抽巷布置于粉砂岩中时，此时的垂直应力最大值最小，此时的垂直应力最大值为20.48MPa。2）利用数值模拟软件对抽采参数对有效抽采半径的影响进行分析，发现随着抽采时间的增加，底抽巷钻孔抽采有效半径呈现逐步增大的趋势，而随着抽采负压的增大钻孔抽采有效半径几乎不变。3）利用模拟计算结果对某矿18503工作面进行底抽巷布置，并对钻孔冲孔前后瓦斯抽采曲线进行分析发现，底抽巷钻孔经过水力冲孔后抽采效率有了明显的提升，抽采效果极佳。

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