采空區(qū)瓦斯埋管抽采技術(shù)應(yīng)用與分析

李思陽(yáng)

（潞安集團(tuán)漳村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046032）

0 引言

隨著采煤工作面推進(jìn)，后方頂板垮落而且形成一定范圍采空區(qū)，工作面風(fēng)流通過(guò)采空區(qū)后，在自然壓力差作用下，從上隅角進(jìn)入回風(fēng)流，采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯進(jìn)入回風(fēng)流和上隅角，當(dāng)采空區(qū)頂板初次來(lái)壓或者周期性來(lái)壓時(shí)，會(huì)造成瓦斯突然涌出，威脅作業(yè)人員安全[1]。

1 工程概況

某礦生產(chǎn)規(guī)模150萬(wàn)t/a，批準(zhǔn)開采平均厚度2.1m、容重1.3t/m3且賦存穩(wěn)定的8#煤。依據(jù)測(cè)定得出的瓦斯涌出量報(bào)告，該礦絕對(duì)瓦斯涌出量56.3m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量20.2m3/t，屬于高瓦斯礦井。8208工作面選用機(jī)械化走向長(zhǎng)壁采煤工藝，工作面傾向長(zhǎng)度180m，垮落法管理采空區(qū)頂板，U型獨(dú)立通風(fēng)方式，該工作面原煤瓦斯最大含量為6.1m3/t。

分析該工作面的瓦斯涌出情況可知，影響瓦斯涌出的因素主要包括回采工藝、原煤瓦斯含量、工作面回采速度、礦山壓力、工作面配風(fēng)量等。

1）煤層瓦斯含量：煤層中瓦斯含量是指煤體內(nèi)處于吸附和游離兩種狀態(tài)的瓦斯總和，測(cè)定8208工作面的最大瓦斯含量為6.1m3/t。

2）生產(chǎn)工序：當(dāng)其他條件相同時(shí)，不同采煤作業(yè)工序?qū)?yīng)的瓦斯涌出特征存在差異?，F(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，8208工作面生產(chǎn)班現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的最高瓦斯?jié)舛燃s為檢修班該值的1.1倍。

3）周期來(lái)壓：伴隨著回采工作面的不斷向前推進(jìn)，上覆巖層垮落，煤體內(nèi)產(chǎn)生大量裂隙，鄰近煤層及圍巖內(nèi)的瓦斯在風(fēng)流作用下不斷涌入工作面，從而增大了回風(fēng)順槽風(fēng)流中的瓦斯含量。常規(guī)開采階段，瓦斯涌出量隨著工作面頂板周期來(lái)壓呈現(xiàn)周期性增加現(xiàn)象[2]。

4）工作面配風(fēng)量：8208工作面采用“U”型通風(fēng)，隨著工作面配風(fēng)量不斷增加，運(yùn)輸與回風(fēng)順槽兩端之間的風(fēng)力壓差不斷增大，采空區(qū)漏風(fēng)量增加，采空區(qū)遺煤瓦斯及鄰近煤層卸壓瓦斯進(jìn)入回風(fēng)順槽，瓦斯涌出量增加。

在8208工作面的采空區(qū)采用插管抽放，在回風(fēng)順槽布置一根Φ377mm的螺旋焊縫鋼管負(fù)壓抽采采空區(qū)瓦斯，距正在回采工作面30m左右通過(guò)拄制閥連接風(fēng)筒。但實(shí)際抽采出采空區(qū)瓦斯的濃度最小2.5%,最大5.8%、平均僅為4.5%,分析主要原因是由于回采過(guò)程中存在丟底煤情況，當(dāng)采空區(qū)遺煤量較大時(shí)、采空區(qū)瓦斯涌出量較大，導(dǎo)致風(fēng)筒瓦斯?jié)舛壬撸欢腔夭蛇^(guò)程中老頂巖梁周期性破斷、垮落導(dǎo)致臨近層瓦斯涌出至采空區(qū)，致使風(fēng)筒內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸省安ɡ恕毙畏植肌?/p>

2 采空區(qū)瓦斯埋管抽采技術(shù)分析

針對(duì)8208工作面瓦斯含量高，預(yù)抽效果差，且采空區(qū)遺煤較多，導(dǎo)致工作面回風(fēng)流和上隅角瓦斯?jié)舛纫壮薜那闆r，現(xiàn)有抽采工藝不能滿足實(shí)際要求，因此，提出了采空區(qū)埋管法抽采瓦斯，采空區(qū)瓦斯埋管抽采工藝如圖1所示。

圖1 采空區(qū)瓦斯埋管抽采工藝

1）在回風(fēng)順槽布置一根Φ377mm的低負(fù)壓支管，并在靠近工作面處支管上安裝變徑將Φ377mm變?yōu)橐惶甩?73mm的鋼絲骨架膠管管路，加設(shè)木垛或其他支護(hù)方式對(duì)埋設(shè)的瓦斯抽采管路加以保護(hù)，距離底板不低于0.5m[2]。在瓦斯管末端安裝鐵砂網(wǎng)，防止煤渣掉入瓦斯抽采管路[3]。

2）瓦斯管路每隔9m加設(shè)三通和閥門，每隔18m加設(shè)蝶閥(可根據(jù)具體單根瓦斯管路長(zhǎng)度調(diào)整三通和蝶閥間距)，連接瓦斯抽放軟管（4寸以上）并在上隅角密閉前進(jìn)行插管抽放，以控制密閉前瓦斯。

3）當(dāng)工作面推進(jìn)至三通位置時(shí)，拆除密閉前的抽放軟管，改由下一個(gè)三通連接軟管進(jìn)行密閉前插管抽放，同時(shí)打開己拆除軟管的三通，拆除閥門，加設(shè)鐵砂網(wǎng)進(jìn)行敞開式抽放或安裝花管抽放[4]。若加設(shè)花管時(shí)，三通可豎直安設(shè)，不加花管時(shí)三通安設(shè)時(shí)盡量不要垂直向上，應(yīng)向采面方向傾斜一定角度。當(dāng)工作面推進(jìn)至蝶閥位置時(shí)，關(guān)閉蝶閥，以防瓦斯管路深入采空區(qū)內(nèi)部引發(fā)煤層自燃。

4）預(yù)埋管路應(yīng)做到防水、防渣堵塞、防爆和防砸，木垛支護(hù)應(yīng)盡可能密集，同時(shí)可保留管路附近的密閉墻，采用敞開式抽放時(shí)管口用鐵砂網(wǎng)保護(hù)。抽采管路上應(yīng)設(shè)置孔板，以便觀測(cè)所抽采瓦斯的流量、負(fù)壓及濃度。要求管口負(fù)壓不低于5kPa，且隨時(shí)注意回采工作面推進(jìn)過(guò)程中瓦斯管路及上隅角的瓦斯?jié)舛?，根?jù)濃度變化及時(shí)調(diào)節(jié)抽采負(fù)壓。同時(shí)需要隨時(shí)監(jiān)控管路內(nèi)及采空區(qū)CO的濃度，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的防滅火措施。

3 采空區(qū)瓦斯埋管抽采數(shù)值模擬分析

FLUENT軟件是CFD常用軟件之一，具有多重算法、多重精準(zhǔn)網(wǎng)格、模型類型多等優(yōu)點(diǎn)，目前多應(yīng)用在復(fù)雜流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等方面。求解FLUENT的基木程序有前處理、選擇物理模型、選擇計(jì)算模型、求解和后處理等組成。以8208工作面為研究背景建立數(shù)值模型，其中X軸為采空區(qū)，Y軸是工作面切眼，出口及入口的長(zhǎng)寬分別為5m,35m。將后方采空區(qū)作為多孔介質(zhì)滲流區(qū)，回采工作面作為氣體自由流態(tài)區(qū)[5]，模型示意圖如圖2所示，模擬條件參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值模型示意圖

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

依據(jù)采空區(qū)流場(chǎng)的不同特性對(duì)采空區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為2×2，工作面自由流態(tài)網(wǎng)格劃分網(wǎng)格為0.5×0.5。模擬得到采空區(qū)后方10m處埋管抽采瓦斯的采空區(qū)壓力等值線和濃度分布如圖3所示，采空區(qū)后方20m處埋管抽采瓦斯的采空區(qū)壓力等值線和濃度分布如圖4所示。

圖3 采空區(qū)后側(cè)10m處埋管抽采采空區(qū)壓力等值線和瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖4 采空區(qū)后側(cè)20m處埋管抽采采空區(qū)壓力等值線和瓦斯?jié)舛确植?/p>

分析模擬結(jié)果圖3，可以得出埋管抽放中瓦斯?jié)舛燃傲髁侩S工作面不斷向前推進(jìn)不斷增加，8208工作面埋管深度應(yīng)該位十采空區(qū)后方10m。分析模擬結(jié)果圖4，可以得出當(dāng)采空區(qū)埋管深度20m時(shí)，瓦斯抽采效果最佳，抽采濃度和流量最大。因此，在采空區(qū)10m～20m范圍布置抽采管口時(shí)上隅角的瓦斯?jié)舛容^小。

4 結(jié)語(yǔ)

埋管法對(duì)抽放采空區(qū)上隅角瓦斯具有獨(dú)特作用，針對(duì)8208工作面煤層瓦斯含量高，預(yù)抽效果差，且采空區(qū)遺煤多，導(dǎo)致回風(fēng)流和上隅角瓦斯?jié)舛纫壮蓿F(xiàn)有抽采工藝不能滿足要求的現(xiàn)狀，采用了采空區(qū)埋管抽采瓦斯的方法。通過(guò)數(shù)值模擬得出，采空區(qū)埋管深度20m時(shí)，瓦斯抽采效果最佳，抽采濃度和流量最大。但是由于距離上隅角的位置較遠(yuǎn)，對(duì)該位置的瓦斯治理效果較差。在采空區(qū)10m和20m處布置抽采管口，上隅角瓦斯較小，因此8208工作面埋管深度應(yīng)為工作面后方10～20m。