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摘要：随着矿井的延伸和技术的发展，大同矿区开采石炭二叠系特厚煤层的千万吨级矿井快速发展，以塔山煤矿、同忻煤矿为代表的矿井在开采过程中普遍面临着瓦斯超限的问题，为了治理同忻煤矿瓦斯超限问题，在采煤工作面试验了高位钻孔抽采、高位巷抽采等瓦斯治理方法，并对试验的结果进行了分析与模拟研究，确定了高位巷抽采是适合同忻煤矿特厚煤层开采的瓦斯治理方法。
关键词：特厚煤层；高位钻孔；高位巷；抽采参数；数值模拟
中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0091-03
特厚煤层为厚度大于8m的煤层，近年来，大同矿区的侏罗系煤层资源逐渐枯竭，大部分矿井向下延伸开采石炭二叠系煤层，煤层厚度在1.63～29.41m之间，平均煤厚为15.72m。由于埋深增加、煤层较厚且开采强度增大（工作面年产量达到1000万吨），瓦斯超限成为制约矿井安全生产的瓶颈。本文通过研究同忻煤矿开采石炭系3～5号合并煤层的瓦斯涌出情况，利用现场实测、模拟研究等手段分析研究不同瓦斯治理方法对治理效果的影响，选择适合同忻煤矿特厚煤层开采所需的瓦斯治理方法，并得优选后的瓦斯治理方法进行抽采参数优化，使瓦斯治理的效率最
大化。
同忻煤矿是同煤集团2006年兴建的千万吨级现代化矿井，矿井主采煤层3～5号煤层的厚度为0～35.31m，平均13.67m，采煤方法为长壁式采煤法，全部陷落法管理顶板，回采工艺为综采放顶煤，单面产量约为4.5Mt/a左右。工作面的推进速度在6m/d的情况下，瓦斯涌出量达40m3/min，矿井现有的抽采系统最大抽采能力可达1000m3/min，可利用现有的抽采系统，试验抽采方法。
1 瓦斯抽采方法优选
矿井的瓦斯抽采方法直接决定着瓦斯抽采效果，对瓦斯治理工作有着直接的影响。由于工作面瓦斯主要来源为采空区瓦斯涌出，针对工作面的瓦斯涌出情况，设计了钻孔抽采和高位巷道抽采两种方法采空区瓦斯，并分别进行了试验。
1.1 钻孔抽采方法治理工作面瓦斯
钻孔抽采瓦斯的方法是在工作面回风巷内设置钻场，间距为40～50m，在各钻场内迎着工作面推进方向打双排扇形钻孔，每个钻场内打6个扇形钻孔，钻孔的终孔点位置距回风巷的水平距离为8～32m，距煤层顶板的垂直距离为55m，利用钻孔将采空区高顶的高浓度瓦斯抽出，降低上隅角区域的瓦斯涌出量，达到治理效果。钻孔的布置示意图如图1所示：
钻孔施工完成后，将钻孔连接到瓦斯抽采系统，并连续观测抽采数据，以此为基础分析钻孔抽采方法的治理效果。
表1中的数据为抽采效果最好的一个钻孔连续6天的抽采数据。其中抽采的混合流量最大为1.78m3/min，最大纯量为0.57m3/min。1个钻场共6个钻孔，最大的抽采纯量为3.42m3/min，对减少采空区瓦斯涌出会有一定的效果，但对工作面上隅角与回风流的瓦斯超限起不到明显作用。在遇见较大地质构造或煤层瓦斯含量增大时，可采用高位钻孔抽放措施。
钻孔瓦斯浓度低、流量小，是单孔抽采量不高的主要原因，这也表明采空区高冒空间内的瓦斯浓度在15%～20%之间，传统的小流量、高浓度的钻孔抽采治理方法不能适应并解决同忻煤矿特厚煤层工作面的瓦斯超限问题。
1.2 高位巷抽采方法治理瓦斯
总结出钻孔抽采试验失败的原因主要是抽采总流量小，因此矿方决定试验大流量的高位巷抽采。高位巷沿2号煤底板布置，内错20m，距回风巷顶板10～20m，这个位置正处在采空区冒落带内。将高位巷密闭并埋入抽采管路，通过抽采系统将采空区冒落带内的瓦斯抽出，截流涌向上隅角和回风流的瓦斯，高位巷的布置示意图如图2所示：
高位巷密闭抽放后，抽采系统以最大能力工作，抽采量维持在900～1000m3/min之间，工作面瓦斯超限问题得以解决。对高位巷的治理效果进行了6个月的观测，观测的部分数据如图3和图4所示：
从图中可以看出，高位巷抽出的纯瓦斯量为25～60m3/min，平均抽放瓦斯量38m3/min。工作面上隅角瓦斯浓度控制在0.3～0.7%之间；工作面回风瓦斯浓度控制在0.4%以下；工作面120～130号支架之间后溜通道放煤时瓦斯浓度降到0.5%以下，消除了放煤时瓦斯超限的现象。表现出高位巷道密闭采空区瓦斯具有明显效果，能够解决采空区瓦斯涌出造成工作面上隅角和回风流瓦斯超限问题。
综合以上论述，对比钻孔抽采方法与高位巷抽采方法可以看出，在工作面瓦斯涌出量较大的情况下，钻孔的单孔抽采量过小，钻孔数量严重不足是钻孔抽采达不到治理效果的主要原因。由于综放工作面的推进度在4～6m/d之间，钻孔的抽采有效期仅能达到8～10d，钻孔的施工周期被严重压缩，造成了抽放钻孔数量严重不足，总抽采量达不到瓦斯治理的要求。因此试验了抽采较大的高位巷的抽采方法，并取得了预期的效果。
2 高位巷抽采方法抽采参数的优化研究
高位巷抽采方法在治理瓦斯超限方面取得了较好的效果，其抽采参数尚存在可以优化的地方，以达到提高抽采效率，节能降耗的效果。
2.1 高位巷抽采方法的模拟研究
高位巷抽采的瓦斯主要是采空区内高顶处的瓦斯，采空区内部的抽采和瓦斯参数无法直接测定，只能间接地根据抽采系统瓦斯参数、工作面瓦斯参数推算出抽采系统影响半径、抽采区域瓦斯浓度分布、流场等情况。为了更直观地观测到采空区内的瓦斯情况，利用数值模拟的手段，模拟出整个采空区内的瓦斯分面情况并对抽采效果进行定性评价，同时为抽采参数的优化提供依据。
工作面不采取抽采措施时的采空区模型参数见表2：
通过数值计算，得到末采取抽采措施下的采空区气体浓度分布，如图5所示：
根据模拟结果可以看出，采空区内的漏风和气体分布与采空区内冒落岩石的压实程度有关。临近工作面的采空区内，垮落岩体未受或只受到很小的岩石应力影响，孔隙空间较大，漏风量大，瓦斯的稀释和运移程度较高，浓度小于5%，离工作面较近的地方大约在3%左右；远离工作面的区域受载荷影响，空隙空间受到压挤，瓦斯浓度逐渐增大，一般在5%～15%之間；压实稳定区瓦斯浓度最高达到90%以上。 采用高位巷抽采时的数据模拟基本参数与以上相同，区别是在工作面设置内错式高位巷，并设置了高位巷的抽采量为1000m3/min。通过计算得出了高位巷抽采时的气体浓度分布图，如图6所示：
根据模拟结果可以看出，由于高位巷抽采的的泄排和引流作用，使抽排口附近区域的瓦斯稀释、运移程度增大，瓦斯浓度相比较低，最高只有2%，一般在1%左右，离工作面较近的地方瓦斯浓度小于1%；远离工作面的载荷影响区受到的影响较小，瓦斯浓度不大，一般在3%～12%之间；压实稳定区域基本不受抽采的影响，瓦斯浓度基本不发生变化。
2.2 瓦斯抽采参数的优化研究
从瓦斯抽采的目标来看，只要抽采系统能保证上隅角和回风流瓦斯在正常生产期间不超限，就达到了瓦斯抽采的目的，并不是抽采量越大越安全，抽采的同时会增大采空区的漏风风量，在容易自燃煤层会有很大的安全隐患，因此合理确定瓦斯的抽采参数，不仅可以节能降耗，还能降低煤层自燃发火的发生概率。
从数值模拟的结果可以看出，只要抽采影响半径将上隅角区域包围，就可以将流向上隅角区域的瓦斯通过高位巷道分流到抽采系统中。由于抽采影响半径包括的范围大部分在采空区内部无法直接测得，因此通过对工作面上隅角区域、后遛尾、回风流的瓦斯进行测定，间接的分析出抽采影响半径：抽采量在500～1000m3/min之间时，抽采影响半径大于等于20m；抽采量在400～500m3/min之间时，抽采影响半径约为15m；抽采量300m3/min时，抽采影响半径约为10m。
正常开采的情况下（工作面非周期来压）工作面瓦斯增大范围是工作面上隅角区域向进风流方向延伸60m，其中40m范围是瓦斯易超限范围，如引排负压影响范围到达20m，就可以解决工作面瓦斯超限问题，因此抽采量达到500m3/min就可以满足工作面正常生产时瓦斯不超限。
为了验证对抽采半径的推算，将抽采系统的抽采量调整为500～550m3/min，并观测29天的时候。期间抽采量平均为530m3/min，上隅角瓦斯浓度维持在0.16%～0.3%之间，平均为0.22%；回风流瓦斯维持在0.12%～0.23%之间，平均为0.17%。完全可以保证工作面的瓦斯不超限。观测数据的曲线如图7所示：
3 结语
（1）同忻煤矿高瓦斯涌出量工作面的瓦斯治理工作应以大流量抽采为指导思想，在此基础上采取措施尝试提高抽采浓度。
（2）通过现场数据实测与数值模拟研究认为，高位巷抽采是适合同忻煤矿的瓦斯治理手段，应进一步开展研究工作，使高位巷抽采的参数更加合理。
（3）本文仅仅是间接地推算出采空区内抽采半径的影响范围，待观测手段成熟时应实际测量出不同抽采流量对应的影响半径，使抽采工作进一步合理化。
参考文献
[1] 林柏泉，张仁贵.U型通风工作面采空区瓦斯涌出及其治理[J].煤炭学报，1998，23（2）.
[2] 王晔，王宁，康怀宇，梁俊芳.采用工艺巷防止高瓦斯易自燃综放面上隅角瓦斯积聚的探讨[J].华北科技学院学报，2008，（4）：19-24.
[3] 刘春刚.高位抽放巷防止上隅角瓦斯积聚数值模拟研究[J].煤矿安全，2012，43（7）：11-13.
[4] 姜福星，孔令海，刘春刚.特厚煤层综放采场瓦斯运移规律[J].煤炭学报，2013，（3）：407-410.
[5] 朱毅.综放采空区抽放条件下漏风流场数值模拟研究[D].西安科技大学，2006，（4）.
作者简介：刘宝志（1983—），男，内蒙古通辽人，就读于太原理工大学，同煤国电同忻煤矿通风区书记，工程师，研究方向：礦井瓦斯防治、防灭火。
关键词：特厚煤层；高位钻孔；高位巷；抽采参数；数值模拟
中图分类号：TD712 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0091-03
特厚煤层为厚度大于8m的煤层，近年来，大同矿区的侏罗系煤层资源逐渐枯竭，大部分矿井向下延伸开采石炭二叠系煤层，煤层厚度在1.63～29.41m之间，平均煤厚为15.72m。由于埋深增加、煤层较厚且开采强度增大（工作面年产量达到1000万吨），瓦斯超限成为制约矿井安全生产的瓶颈。本文通过研究同忻煤矿开采石炭系3～5号合并煤层的瓦斯涌出情况，利用现场实测、模拟研究等手段分析研究不同瓦斯治理方法对治理效果的影响，选择适合同忻煤矿特厚煤层开采所需的瓦斯治理方法，并得优选后的瓦斯治理方法进行抽采参数优化，使瓦斯治理的效率最
大化。
同忻煤矿是同煤集团2006年兴建的千万吨级现代化矿井，矿井主采煤层3～5号煤层的厚度为0～35.31m，平均13.67m，采煤方法为长壁式采煤法，全部陷落法管理顶板，回采工艺为综采放顶煤，单面产量约为4.5Mt/a左右。工作面的推进速度在6m/d的情况下，瓦斯涌出量达40m3/min，矿井现有的抽采系统最大抽采能力可达1000m3/min，可利用现有的抽采系统，试验抽采方法。
1 瓦斯抽采方法优选
矿井的瓦斯抽采方法直接决定着瓦斯抽采效果，对瓦斯治理工作有着直接的影响。由于工作面瓦斯主要来源为采空区瓦斯涌出，针对工作面的瓦斯涌出情况，设计了钻孔抽采和高位巷道抽采两种方法采空区瓦斯，并分别进行了试验。
1.1 钻孔抽采方法治理工作面瓦斯
钻孔抽采瓦斯的方法是在工作面回风巷内设置钻场，间距为40～50m，在各钻场内迎着工作面推进方向打双排扇形钻孔，每个钻场内打6个扇形钻孔，钻孔的终孔点位置距回风巷的水平距离为8～32m，距煤层顶板的垂直距离为55m，利用钻孔将采空区高顶的高浓度瓦斯抽出，降低上隅角区域的瓦斯涌出量，达到治理效果。钻孔的布置示意图如图1所示：
钻孔施工完成后，将钻孔连接到瓦斯抽采系统，并连续观测抽采数据，以此为基础分析钻孔抽采方法的治理效果。
表1中的数据为抽采效果最好的一个钻孔连续6天的抽采数据。其中抽采的混合流量最大为1.78m3/min，最大纯量为0.57m3/min。1个钻场共6个钻孔，最大的抽采纯量为3.42m3/min，对减少采空区瓦斯涌出会有一定的效果，但对工作面上隅角与回风流的瓦斯超限起不到明显作用。在遇见较大地质构造或煤层瓦斯含量增大时，可采用高位钻孔抽放措施。
钻孔瓦斯浓度低、流量小，是单孔抽采量不高的主要原因，这也表明采空区高冒空间内的瓦斯浓度在15%～20%之间，传统的小流量、高浓度的钻孔抽采治理方法不能适应并解决同忻煤矿特厚煤层工作面的瓦斯超限问题。
1.2 高位巷抽采方法治理瓦斯
总结出钻孔抽采试验失败的原因主要是抽采总流量小，因此矿方决定试验大流量的高位巷抽采。高位巷沿2号煤底板布置，内错20m，距回风巷顶板10～20m，这个位置正处在采空区冒落带内。将高位巷密闭并埋入抽采管路，通过抽采系统将采空区冒落带内的瓦斯抽出，截流涌向上隅角和回风流的瓦斯，高位巷的布置示意图如图2所示：
高位巷密闭抽放后，抽采系统以最大能力工作，抽采量维持在900～1000m3/min之间，工作面瓦斯超限问题得以解决。对高位巷的治理效果进行了6个月的观测，观测的部分数据如图3和图4所示：
从图中可以看出，高位巷抽出的纯瓦斯量为25～60m3/min，平均抽放瓦斯量38m3/min。工作面上隅角瓦斯浓度控制在0.3～0.7%之间；工作面回风瓦斯浓度控制在0.4%以下；工作面120～130号支架之间后溜通道放煤时瓦斯浓度降到0.5%以下，消除了放煤时瓦斯超限的现象。表现出高位巷道密闭采空区瓦斯具有明显效果，能够解决采空区瓦斯涌出造成工作面上隅角和回风流瓦斯超限问题。
综合以上论述，对比钻孔抽采方法与高位巷抽采方法可以看出，在工作面瓦斯涌出量较大的情况下，钻孔的单孔抽采量过小，钻孔数量严重不足是钻孔抽采达不到治理效果的主要原因。由于综放工作面的推进度在4～6m/d之间，钻孔的抽采有效期仅能达到8～10d，钻孔的施工周期被严重压缩，造成了抽放钻孔数量严重不足，总抽采量达不到瓦斯治理的要求。因此试验了抽采较大的高位巷的抽采方法，并取得了预期的效果。
2 高位巷抽采方法抽采参数的优化研究
高位巷抽采方法在治理瓦斯超限方面取得了较好的效果，其抽采参数尚存在可以优化的地方，以达到提高抽采效率，节能降耗的效果。
2.1 高位巷抽采方法的模拟研究
高位巷抽采的瓦斯主要是采空区内高顶处的瓦斯，采空区内部的抽采和瓦斯参数无法直接测定，只能间接地根据抽采系统瓦斯参数、工作面瓦斯参数推算出抽采系统影响半径、抽采区域瓦斯浓度分布、流场等情况。为了更直观地观测到采空区内的瓦斯情况，利用数值模拟的手段，模拟出整个采空区内的瓦斯分面情况并对抽采效果进行定性评价，同时为抽采参数的优化提供依据。
工作面不采取抽采措施时的采空区模型参数见表2：
通过数值计算，得到末采取抽采措施下的采空区气体浓度分布，如图5所示：
根据模拟结果可以看出，采空区内的漏风和气体分布与采空区内冒落岩石的压实程度有关。临近工作面的采空区内，垮落岩体未受或只受到很小的岩石应力影响，孔隙空间较大，漏风量大，瓦斯的稀释和运移程度较高，浓度小于5%，离工作面较近的地方大约在3%左右；远离工作面的区域受载荷影响，空隙空间受到压挤，瓦斯浓度逐渐增大，一般在5%～15%之間；压实稳定区瓦斯浓度最高达到90%以上。 采用高位巷抽采时的数据模拟基本参数与以上相同，区别是在工作面设置内错式高位巷，并设置了高位巷的抽采量为1000m3/min。通过计算得出了高位巷抽采时的气体浓度分布图，如图6所示：
根据模拟结果可以看出，由于高位巷抽采的的泄排和引流作用，使抽排口附近区域的瓦斯稀释、运移程度增大，瓦斯浓度相比较低，最高只有2%，一般在1%左右，离工作面较近的地方瓦斯浓度小于1%；远离工作面的载荷影响区受到的影响较小，瓦斯浓度不大，一般在3%～12%之间；压实稳定区域基本不受抽采的影响，瓦斯浓度基本不发生变化。
2.2 瓦斯抽采参数的优化研究
从瓦斯抽采的目标来看，只要抽采系统能保证上隅角和回风流瓦斯在正常生产期间不超限，就达到了瓦斯抽采的目的，并不是抽采量越大越安全，抽采的同时会增大采空区的漏风风量，在容易自燃煤层会有很大的安全隐患，因此合理确定瓦斯的抽采参数，不仅可以节能降耗，还能降低煤层自燃发火的发生概率。
从数值模拟的结果可以看出，只要抽采影响半径将上隅角区域包围，就可以将流向上隅角区域的瓦斯通过高位巷道分流到抽采系统中。由于抽采影响半径包括的范围大部分在采空区内部无法直接测得，因此通过对工作面上隅角区域、后遛尾、回风流的瓦斯进行测定，间接的分析出抽采影响半径：抽采量在500～1000m3/min之间时，抽采影响半径大于等于20m；抽采量在400～500m3/min之间时，抽采影响半径约为15m；抽采量300m3/min时，抽采影响半径约为10m。
正常开采的情况下（工作面非周期来压）工作面瓦斯增大范围是工作面上隅角区域向进风流方向延伸60m，其中40m范围是瓦斯易超限范围，如引排负压影响范围到达20m，就可以解决工作面瓦斯超限问题，因此抽采量达到500m3/min就可以满足工作面正常生产时瓦斯不超限。
为了验证对抽采半径的推算，将抽采系统的抽采量调整为500～550m3/min，并观测29天的时候。期间抽采量平均为530m3/min，上隅角瓦斯浓度维持在0.16%～0.3%之间，平均为0.22%；回风流瓦斯维持在0.12%～0.23%之间，平均为0.17%。完全可以保证工作面的瓦斯不超限。观测数据的曲线如图7所示：
3 结语
（1）同忻煤矿高瓦斯涌出量工作面的瓦斯治理工作应以大流量抽采为指导思想，在此基础上采取措施尝试提高抽采浓度。
（2）通过现场数据实测与数值模拟研究认为，高位巷抽采是适合同忻煤矿的瓦斯治理手段，应进一步开展研究工作，使高位巷抽采的参数更加合理。
（3）本文仅仅是间接地推算出采空区内抽采半径的影响范围，待观测手段成熟时应实际测量出不同抽采流量对应的影响半径，使抽采工作进一步合理化。
参考文献
[1] 林柏泉，张仁贵.U型通风工作面采空区瓦斯涌出及其治理[J].煤炭学报，1998，23（2）.
[2] 王晔，王宁，康怀宇，梁俊芳.采用工艺巷防止高瓦斯易自燃综放面上隅角瓦斯积聚的探讨[J].华北科技学院学报，2008，（4）：19-24.
[3] 刘春刚.高位抽放巷防止上隅角瓦斯积聚数值模拟研究[J].煤矿安全，2012，43（7）：11-13.
[4] 姜福星，孔令海，刘春刚.特厚煤层综放采场瓦斯运移规律[J].煤炭学报，2013，（3）：407-410.
[5] 朱毅.综放采空区抽放条件下漏风流场数值模拟研究[D].西安科技大学，2006，（4）.
作者简介：刘宝志（1983—），男，内蒙古通辽人，就读于太原理工大学，同煤国电同忻煤矿通风区书记，工程师，研究方向：礦井瓦斯防治、防灭火。