不同風(fēng)速下采空區(qū)瓦斯分布及抽采技術(shù)研究

黃 超，孫 亮

(1.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司 斜溝煤礦，山西 呂梁 033602； 2.煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122)

隨著煤炭資源向深部開采，煤層群的結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜。在開采過程中瓦斯地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，采空區(qū)瓦斯含量急劇升高，造成該現(xiàn)象的主要原因是深部開采帶來的高地應(yīng)力，高溫度以及高滲透壓的影響[1-2]. 采空區(qū)屬于多孔介質(zhì)構(gòu)造，在煤炭開采過程中，煤巖破碎系數(shù)及破碎量大，裂隙發(fā)育加強，導(dǎo)致漏風(fēng)增大，引起局部瓦斯超限，促進(jìn)遺煤氧化反應(yīng)，加劇煤炭自燃的可能性，給煤炭安全生產(chǎn)帶來隱患[3-4]. 因此，對于高瓦斯易自燃的工作面從瓦斯抽采角度考慮應(yīng)該增大抽采負(fù)壓，提高抽采效率，但高負(fù)壓伴隨的是氧氣濃度增大，會提高煤炭自燃的可能性，若降低負(fù)壓和減小流量則會導(dǎo)致局部瓦斯積聚，瓦斯?jié)舛壬遊5-6]. 因此，本文從采空區(qū)遺煤自燃和采空區(qū)瓦斯抽采相耦合的角度對采空區(qū)的瓦斯運移規(guī)律及抽采方案進(jìn)行研究。

1 理論計算

采空區(qū)屬于多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，瓦斯在采空區(qū)的擴(kuò)散和運移遵循菲克定律，建立瓦斯?jié)舛葓龅牧鲃臃匠蹋磫挝粫r間內(nèi)流體通過垂直流動方向擴(kuò)散量與濃度梯度成正比[7-9]. 即：

式中：

JA—流體A在水平方向擴(kuò)散量，mol/(s·m2)；

dAB—流體A向流體B擴(kuò)散過程中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

同理可得，瓦斯在豎直方向同樣遵循菲克定律。

根據(jù)連續(xù)性方程，在封閉區(qū)域內(nèi)，瓦斯變化量可由3部分組成，分別是空氣流動造成的瓦斯?jié)舛炔?，瓦斯擴(kuò)散作用所造成的濃度差以及采空區(qū)遺煤造成的濃度差，其關(guān)系式大致表示為[10]：

W=W1+W2+W3

式中：

W—該區(qū)域瓦斯總變化量，mol/L；

W1—空氣流動造成的瓦斯?jié)舛炔?，mol/L；

W2—瓦斯擴(kuò)散造成的瓦斯?jié)舛炔睿琺ol/L；

W3—采空區(qū)遺煤造成的瓦斯?jié)舛炔睿琺ol/L；

cCH4—該區(qū)域瓦斯?jié)舛龋琺ol/L；

kCH4—瓦斯擴(kuò)散系數(shù)；

vx—瓦斯在x方向擴(kuò)散速率，m/s；

vy—瓦斯在y方向擴(kuò)散速率，m/s.

2 數(shù)值模擬

2.1 建立模型

隨著回采及冒落工作的進(jìn)行，采空區(qū)上覆巖層的不同破脹系數(shù)可將采空區(qū)模型大致劃分為16個區(qū)域，劃分圖見圖1[11].

圖1 采空區(qū)區(qū)域劃分圖

根據(jù)開采過程導(dǎo)致的巖石應(yīng)力與巖層控制理論，采場上覆巖層形成的采動裂隙帶均可視為多孔介質(zhì)，運用多孔介質(zhì)理論進(jìn)行研究，可得滲透率(k)與黏性阻力系數(shù)(R)為[12]：

式中：

k—滲透率；

R—黏性阻力系數(shù)；

Kp—破脹系數(shù)，可由相似模擬實驗測得；

dm—平均粒徑，m.

模型各區(qū)域滲透率及黏性阻力系數(shù)見表1.

2.2 數(shù)值模擬

1) 不同高度的瓦斯分布規(guī)律。

工作面在推進(jìn)過程中，由于地應(yīng)力和風(fēng)速風(fēng)量影響，在工作面走向方向采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律是不同的，模擬采空區(qū)走向和豎直方向瓦斯分布規(guī)律,模擬圖分別見圖2和圖3.

表1 模型各區(qū)域滲透率及黏性阻力系數(shù)表

圖2 采空區(qū)走向不同位置瓦斯?jié)舛确植紙D

圖3 采空區(qū)不同高度瓦斯?jié)舛确植紙D

由圖2可以看出，沿著工作面走向進(jìn)行不同的切片分析發(fā)現(xiàn)：在走向方向，距離進(jìn)風(fēng)口越遠(yuǎn)瓦斯?jié)舛戎饾u增大，進(jìn)風(fēng)口濃度幾乎為0，而在采空區(qū)深部約250 m位置，瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)80%左右，距離工作面越遠(yuǎn)瓦斯?jié)舛仍礁?，這是因為采空區(qū)瓦斯?jié)舛仁懿煽諈^(qū)漏風(fēng)和回風(fēng)口影響。越靠近工作面和回風(fēng)巷一側(cè)，瓦斯越容易被排出，這是由于煤巖體孔隙率較大，透氣性較強，依靠風(fēng)的動力就可將瓦斯排出，但考慮到礦壓影響程度不同，隨著冒落，位于采空區(qū)中部垮落的巖體被壓實，孔隙率變小，漏風(fēng)影響也較小，因此瓦斯?jié)舛仍龈叩内厔菥徛?，濃度低于裂隙帶瓦斯?jié)舛取?/p>

由圖3可看出，在采空區(qū)相同的水平距離豎直方向的瓦斯?jié)舛确植家彩遣灰粯拥?，越靠近底板位置，靠近工作面一?cè)的采空區(qū)瓦斯?jié)舛仁苈╋L(fēng)影響較大，因此濃度偏小并且向回風(fēng)側(cè)聚集，越靠近頂板位置處，采空區(qū)瓦斯受漏風(fēng)影響偏大，而且由于地應(yīng)力影響，巖體破碎的孔隙率偏小，透氣性較低，因此濃度偏高，容易積聚在采空區(qū)深部的回風(fēng)巷一側(cè)，尤其是在靠近工作面回風(fēng)巷一側(cè)的上隅角區(qū)域，冒落帶頂部，瓦斯局部積聚，瓦斯含量及濃度較高。

2) 不同風(fēng)速瓦斯?jié)舛扔绊憽?/p>

考慮到工作面還需要風(fēng)排粉塵以及降溫，因此對進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)速按《規(guī)程》進(jìn)行合理配風(fēng)。對工作面風(fēng)速為2 m/s和3 m/s情況下瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行模擬，見圖4和圖5.

圖4 風(fēng)速為2 m/s時采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D

圖5 風(fēng)速為3 m/s時采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D

由圖4，5可以看出：在風(fēng)速一定時，隨著采空區(qū)深度增加，瓦斯?jié)舛瘸是€式變化，而且在同一標(biāo)高下，采空區(qū)深度越深，瓦斯?jié)舛仍礁?；在采空區(qū)相同的位置，風(fēng)速增大時可以減少工作面瓦斯?jié)舛龋切Ч伙@著。這是因為雖然風(fēng)速大可以帶走大部分瓦斯，但由于多孔介質(zhì)的存在，導(dǎo)致采空區(qū)的漏風(fēng)也增大，即從鄰近層流入采空區(qū)的漏風(fēng)量增大，再根據(jù)流體力學(xué)可知，隨著采空區(qū)深度的增加，沿程阻力增大，導(dǎo)致深部瓦斯排不出去，采空區(qū)更多瓦斯在工作面上隅角積聚。因此，從通風(fēng)角度考慮，風(fēng)排瓦斯效果并不理想,可以通過采空區(qū)瓦斯鉆孔抽采等措施進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采。

3 工程應(yīng)用

在理論分析、數(shù)學(xué)計算、數(shù)值模擬基礎(chǔ)上對某礦進(jìn)行現(xiàn)場實踐分析。該工作面采用“U+I”型通風(fēng)方式，采用該方式是為了解決回風(fēng)巷上隅角及支架后局部采空區(qū)瓦斯積聚問題?？拷仫L(fēng)側(cè)布置一條內(nèi)錯巷，可以抽采采空區(qū)瓦斯，同時在工作面向前推進(jìn)時，頂板垮落與支架后方連通成為一個整體，抽采面積增大，由于在抽采過程形成負(fù)壓，上隅角和部分采空區(qū)瓦斯流向內(nèi)錯巷，可以滿足抽采需求。

該礦在回采期間發(fā)現(xiàn)內(nèi)錯巷經(jīng)常出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，支架后端瓦斯難以抽出，使工作面通風(fēng)系統(tǒng)紊亂，上隅角瓦斯容易超限。根據(jù)模擬結(jié)果對不同高度進(jìn)行鉆孔抽采對比。抽放口深入采空區(qū)10 m時，不同抽采高度時的抽采效果見圖6，抽采管距底板高2 m時，抽放口深入采空區(qū)不同位置上隅角瓦斯?jié)舛纫妶D7.

圖6 不同抽采高度時的抽采效果圖

圖7 抽放口深入采空區(qū)不同位置時上隅角瓦斯?jié)舛葓D

由圖6可得，距離底板的垂直高度越高，瓦斯?jié)舛仍酱?，這是因為瓦斯密度較空氣密度偏低，瓦斯容易上浮。也就是說抽放管路越靠近頂板越好，但由于現(xiàn)場條件受限，無法無限地抬高管路。因此，將抽放管路布置在距離頂板2.6 m附近。

由圖7可得，距離采空區(qū)越深，瓦斯?jié)舛仍酱?，?dāng)深度達(dá)到15 m時，上隅角瓦斯?jié)舛葍H為1.2%，雖然隨著深入采空區(qū)距離的繼續(xù)加大，瓦斯抽采濃度增大，但是上隅角瓦斯?jié)舛纫惨恢痹谏?，因此，在此區(qū)域內(nèi)上隅角瓦斯治理效果不佳。這是因為抽放管路已深入到過渡帶，雖然可抽采出較高濃度瓦斯，但距離上隅角較遠(yuǎn)，負(fù)壓較低，對上隅角瓦斯流場作用較小，因此，不能有效解決上隅角瓦斯積聚問題。

4 結(jié) 論

1) 通過FLUENT軟件對采空區(qū)瓦斯流場進(jìn)行數(shù)值模擬計算，在走向上，距離進(jìn)風(fēng)口越遠(yuǎn)瓦斯?jié)舛戎饾u增大，進(jìn)風(fēng)口濃度幾乎為0，而在采空區(qū)深部約250 m位置，瓦斯?jié)舛瓤蛇_(dá)80%左右；在采空區(qū)相同的水平距離豎直方向的瓦斯?jié)舛确植家彩遣灰粯拥?，越靠近底板位置，靠近工作面一?cè)的采空區(qū)瓦斯?jié)舛仁苈╋L(fēng)影響較大。

2) 通過FLUENT軟件對采空區(qū)瓦斯流場在風(fēng)速一定時進(jìn)行數(shù)值模擬，隨著采空區(qū)深度增加，瓦斯?jié)舛瘸是€式變化，而且在同一標(biāo)高下，采空區(qū)越深，瓦斯?jié)舛仍礁?；在采空區(qū)相同的位置，風(fēng)速增大時可以減少工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

3) 通過現(xiàn)場應(yīng)用確定出上隅角瓦斯抽采管路布置在距離頂板2.6 m附近，距離采空區(qū)越深，瓦斯?jié)舛仍酱?，?dāng)深度達(dá)到15 m時上隅角濃度降至1.2%.