綜放工作面采空區(qū)瓦斯高效立體化抽采設計及應用

姜黎明

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

高瓦斯礦井回采工作面采空區(qū)瓦斯涌出量大，工作面上隅角瓦斯極易超限，針對這一難題，前人通過大量的研究與實踐，一部分研究人員[1]采用高抽巷控制采空區(qū)瓦斯向工作面涌出，卻存在工程量大成本高的缺點，一部分研究人員[2-10]將回采工作面改造為偏Y型、 U+I型、并列雙U、Y型等通風方式，盡管有效地解決了采空區(qū)上隅角瓦斯超限問題，但同時引發(fā)其他眾多問題，如采空區(qū)沿空留巷維護困難、排瓦斯聯(lián)絡巷瓦斯易超限、采空區(qū)漏風量大、通風系統(tǒng)不穩(wěn)定、采空區(qū)易自燃[11]等安全問題，因此，除了上隅角瓦斯易超限這一危險隱患外，U型通風方式的安全性、可靠性、經(jīng)濟性均優(yōu)于其他通風方式，如果能解決U型通風方式下工作面上隅角瓦斯超限難題，U型通風方式為最佳通風方式。

本文選取晉煤集團成莊煤礦4312綜放工作面為研究對象，該礦井為具有代表性的高瓦斯礦井，該工作面瓦斯涌出量預測結(jié)果為29.54m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出約占82%，采空區(qū)瓦斯大量涌出為工作面上隅角瓦斯超限問題的重要原因，為解決采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯漏風流向上隅角區(qū)域涌出，采用采空區(qū)瓦斯抽采措施可有效降低采空區(qū)內(nèi)氣壓，使采空區(qū)氣壓最低點由上隅角轉(zhuǎn)移至采空區(qū)深部，可抑制采空區(qū)漏風流向上隅角方向流動。

成莊煤礦4312綜放工作面采用 “兩進兩回”的U型通風方式，本文通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場效果驗證相結(jié)合的研究方法，對采取采空區(qū)瓦斯高效抽采措施之后能否解決工作面上隅角瓦斯超限難題進行了科學的研究。

1 綜放工作面概況

晉煤集團成莊煤礦4312工作面采用走向長壁、后退式綜合機械化放頂煤，一次采全高頂板全部垮落采煤法，開采煤層為3#煤層，煤層平均厚度6.55m，綜合回采率為93%，其中機采回采率為97%，放頂煤回采率為90%，煤層平均傾角4°。該工作面采用“兩進兩回” U型通風布置方式，工作面通風阻力約為301Pa，采空區(qū)瓦斯涌出為24.22m3/min，其中采空區(qū)遺煤瓦斯涌出占17%，采空區(qū)臨近煤層瓦斯涌出占65%，工作面回采巷道風量見表1。

表1 4312綜放工作面回采巷道風量參數(shù)

2 采空區(qū)瓦斯抽采設計

在43122巷內(nèi)30#、24#、20#、15#、10#聯(lián)絡巷口布置高位鉆孔，每個聯(lián)絡巷口布置四個鉆孔，根據(jù)采空區(qū)裂隙帶高度確定高位孔鉆孔最佳布置層位為40m。在3#、7#、10#、14#、18#、22#、25#聯(lián)絡巷內(nèi)施工中位鉆孔，每個聯(lián)絡巷布置8個中位鉆孔，布置兩個層位，其中1#、3#、5#、7#鉆孔設計層位為煤層頂板以上20m，2#、4#、6#、8#鉆孔設計層位為煤層頂板以上25m。在43122巷內(nèi)設計施工穿透鉆孔，單孔孔深為20m，以穿透切眼為準，開孔間距均為10m。隨綜采工作面推進，聯(lián)絡巷逐個進入采空區(qū)，在進入采空區(qū)的密閉聯(lián)絡巷安裝采空區(qū)瓦斯抽采管路，對采空區(qū)內(nèi)瓦斯混合氣體進行大流量抽采，采空區(qū)鉆孔布置如圖1所示。

圖1 4312綜放工作面采空區(qū)鉆孔布置示意圖

3 采空區(qū)瓦斯運移模型建立

3.1 采空區(qū)滲流模型

采空區(qū)在水平方向上形成自然冒落區(qū)、上覆巖層載荷影響區(qū)、重新壓實區(qū)，在豎直方向上形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。彎曲下沉帶內(nèi)巖層裂隙不發(fā)育，無法形成范圍的氣體運移通道，故采空區(qū)瓦斯運移主要集中于冒落帶與裂隙帶。

根據(jù)參考文獻可得[9-14]，采空區(qū)內(nèi)碎脹系數(shù)與孔隙率存在定量關系，采空區(qū)冒落帶范圍內(nèi)采空區(qū)內(nèi)各位置空隙率分布符合“O”形圈。采空區(qū)裂隙帶范圍內(nèi)巖層層位關系未被破壞，大量縱向、橫向裂隙發(fā)育，該區(qū)域可近似為空隙率為常數(shù)的多孔介質(zhì)區(qū)域，采空區(qū)內(nèi)各位置空隙率計算公式。

式中，L為綜放工作面長度，m；H為采空區(qū)冒落帶高度，m；x為采空區(qū)某一位置距工作面的垂直距離，m；y為采空區(qū)某一位置距回風巷巷幫的垂直距離，m；z為采空區(qū)某一位置距煤層底板的垂直距離，m；kp.max為采空區(qū)自然堆積區(qū)內(nèi)煤壁支撐影響區(qū)平均碎脹系數(shù)，根據(jù)計算取1.5；kp.min為采空區(qū)壓實穩(wěn)定區(qū)中心位置處碎脹系數(shù)，根據(jù)計算取1.15；n(x，y，z)為采空區(qū)某一位置空隙率，取1。

通過采空區(qū)空隙率可計算得到采空區(qū)粘性阻力系數(shù)與采空區(qū)慣性阻力系數(shù)，計算公式如(3)。

式中，α(x，y，z)為采空區(qū)某一位置滲透阻力系數(shù)，m-2；C(x，y，z)為采空區(qū)某一位置慣性阻力系數(shù)，m-1；DP為采空區(qū)垮落巖塊平均粒度，m。

采空區(qū)內(nèi)孔隙-裂隙系統(tǒng)發(fā)育，相比于煤層內(nèi)瓦斯流動，采空區(qū)內(nèi)氣流速度大，采空區(qū)內(nèi)氣體流動屬于過渡流甚至湍流，屬于高速非線性流，慣性力對滲流過程的影響不可忽略，采空區(qū)內(nèi)滲流用福希海默方程(二項式公式)來描述，見式(4)，在式(4)的基礎上可推導出采空區(qū)透氣性系數(shù)公式，如式(5)。

式中，ρf為風流密度，kg/m3；Vi為采空區(qū)某一位置某一方向風速，i分別取X，Y，Z三個方向，m/s；U為采空區(qū)某一位置風速矢量，m/s；μ為空氣動力粘度，取值為17.9×10-6Pa·s；P為氣體壓力，Pa；Ki為采空區(qū)某一位置某一方向透氣性系數(shù)，i分別取X，Y，Z三個方向，m2/(MPa2·d)。

3.2 采空區(qū)瓦斯運移模型

3.2.1 采空區(qū)瓦斯運移模型控制方程組

采空區(qū)為多孔介質(zhì)模型，采空區(qū)不同區(qū)域的氣流雷諾數(shù)存在明顯差異，氣體流動過程中存在粘性阻力損失和慣性阻力損失，滿足冪定律，這些方程組如式(6)。

式中，CCH4為瓦斯?jié)舛龋?；DCH4為擴散系數(shù)，m2/s；SCH4為瓦斯源項，m3/ (m3·s)。

3.2.2 采空區(qū)瓦斯運移模型邊界條件設置

本文主要研究采空區(qū)瓦斯涌出對采空區(qū)及回采巷道內(nèi)瓦斯分布規(guī)律的影響，采空區(qū)邊界條件設置見表2。

3.2.3 采空區(qū)滲流特性及瓦斯放散源設置

采空區(qū)瓦斯涌出源的設置使用UDF宏DEFINE_SOURCE進行自定義設置。采空區(qū)的孔隙率分布、采空區(qū)粘性阻力系數(shù)分布、采空區(qū)慣性阻力系數(shù)分布、采空區(qū)瓦斯源分布使用UDF宏DEFINE_PROFILE進行自定義設置。

表2 采空區(qū)邊界條件設置

3.2.4 采空區(qū)瓦斯運移幾何模型

成莊礦4312綜放工作面實際布置情況參數(shù)見表3。

表3 4312綜放工作面及采空區(qū)參數(shù)

4312綜放工作面的回采長度約為2358m，回采期間大部分時間采空區(qū)三帶處于穩(wěn)定發(fā)育階段，不同采空區(qū)抽采措施下采空區(qū)幾何模型如圖2所示，建模過程中進行了以下處理：①在不影響對采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律研究的前提下，為了節(jié)約計算量，建模過程中忽略工作面尾巷(已密閉)、采空區(qū)內(nèi)已密閉聯(lián)絡巷以及支護煤柱；②綜放工作面進行了簡化，建模過程中忽略幾何形狀的綜采設備(采煤機、支架)，因回采面通風阻力大，因此將綜放工作面設為多孔介質(zhì)，根據(jù)工作面兩端壓差實測值與工作面長計算得到多孔介質(zhì)粘性阻力系數(shù)，近似模擬出實際綜采工作面氣壓分布；③與綜放工作面和采空區(qū)相比，采空區(qū)內(nèi)抽采鉆孔直徑尺寸過小，為了突出顯示鉆孔布置層位以及鉆孔長度，幾何模型圖與模擬結(jié)果圖中將鉆孔部分進行了局部放大處理，以增強顯示效果。

4 采空區(qū)瓦斯分布數(shù)值模擬研究

4.1 單一抽采措施下采空區(qū)瓦斯分布

對未采取抽采措施條件下采空區(qū)瓦斯涌出情況進行模擬，分別對采取單一采空區(qū)抽采措施條件下采空區(qū)瓦斯涌出情況進行模擬，通過模擬結(jié)果優(yōu)選抽采效果顯著的抽采措施，建立采空區(qū)綜合立體化抽采體系，并對該采空區(qū)綜合立體化抽采體系下采空區(qū)瓦斯涌出情況進行模擬，對其瓦斯抽采效果進行了數(shù)值模擬。

不同抽采措施條件下4312綜放工作面Z=2m平面內(nèi)采空區(qū)內(nèi)風速分布情況如圖3所示，由圖3可得抽采措施作用下采空區(qū)內(nèi)風速越大，抽采措施的使用一定程度上改變了采空區(qū)局部區(qū)域風速場，特別上隅角區(qū)域風流場，使得上隅角區(qū)域難以聚集大量采空區(qū)污風流。

圖2 不同采空區(qū)抽采措施下4312綜放工作面采空區(qū)幾何模型圖

不同抽采措施條件下4312綜放工作面Z=2m平面內(nèi)采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布情況如圖4所示，由圖4可得：采取措施條件下采空區(qū)瓦斯?jié)舛让黠@小于未采取措施，采空區(qū)抽采措施在抽采采空區(qū)瓦斯的同時會改變采空區(qū)內(nèi)瓦斯的存儲分布情況，采空區(qū)抽采措施將采空區(qū)內(nèi)瓦斯滯留于遠離綜采工作面的采空區(qū)深部；高位鉆孔措施與采空區(qū)聯(lián)絡巷埋管措施的瓦斯抽采效果明顯優(yōu)于底板攔截鉆孔、穿透鉆孔、中位鉆孔措施下。

4.2 高效立體化抽采措施下采空區(qū)瓦斯分布

4312綜放工作面選擇采用高位鉆孔措施與采空區(qū)聯(lián)絡巷埋管措施，建立4312綜放工作面采空區(qū)綜合立體化抽采體系，對“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡巷埋管”立體化抽采措施下4312綜放工作面采空區(qū)風速與瓦斯?jié)舛确植记闆r進行了數(shù)值模擬研究，幾何模型與模擬結(jié)果如圖5所示。

圖3 不同抽采措施條件下4312綜放工作面Z=2m平面內(nèi)風速分布對比情況

圖4 不同抽采措施條件下4312綜放工作面Z=2m平面內(nèi)瓦斯分布對比情況

圖5 “高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡巷埋管”立體化措施下4312綜放工作面采空區(qū)幾何模型與模擬結(jié)果

不同抽采措施下4312綜放工作面回采巷道瓦斯?jié)舛葘Ρ惹闆r見表4。

表4 不同采空區(qū)抽采措施下4312綜放工作面回采巷道瓦斯?jié)舛惹闆r對比

由表4可得，4312綜放工作面上隅角處瓦斯?jié)舛茸畲笾颠_到1.64%，43122回風巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冗_到0.88%，43124回風巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冗_到0.82%，無法滿足《煤礦安全規(guī)程》中回采巷道瓦斯?jié)舛纫?，采取“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡巷埋管”立體化抽采措施后，4312綜放工作面上隅角處瓦斯?jié)舛茸畲笾到档椭?.49%，43122回風巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冉档椭?.17%，43124回風巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冉档椭?.35%，滿足《煤礦安全規(guī)程》中回采巷道瓦斯?jié)舛纫蟆?/p>

5 現(xiàn)場應用效果分析

根據(jù)模擬結(jié)果提出的“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡巷埋管”采空區(qū)瓦斯立體化高效抽采措施，在成莊4312綜放工作面進行了現(xiàn)場驗證，根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果得出：4312綜采工作面上隅角最大瓦斯?jié)舛仍?.45%左右，平均瓦斯?jié)舛葹?.35%左右；43124巷最大瓦斯?jié)舛仍?.50%左右，平均瓦斯?jié)舛葹?.38%左右；43122巷最大瓦斯?jié)舛仍?.20%左右，平均瓦斯?jié)舛葹?.14%左右，采用采空區(qū)瓦斯立體化高效抽采措施實現(xiàn)了高瓦斯礦井綜采工作面U型通風方式改造。

6 結(jié) 論

1)根據(jù)現(xiàn)場資料建立4312綜放工作面采空區(qū)高位鉆孔、中位鉆孔、穿透鉆孔、采空區(qū)聯(lián)絡巷埋管四種采空區(qū)瓦斯抽采措施的數(shù)值計算模型，根據(jù)模擬結(jié)果建立了4312綜放工作面采空區(qū)“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡巷埋管”立體化瓦斯抽采措施體系。

2)根據(jù)采空區(qū)“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡巷埋管”瓦斯立體化抽采數(shù)值計算模型的模擬結(jié)果可得，工作面上隅角處瓦斯?jié)舛茸畲笾到档椭?.42%，43122回風巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冉档椭?.17%，43124回風巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冉档椭?.35%，模擬結(jié)果表明采空區(qū)瓦斯立體化高效抽采措施可有效解決上隅角瓦斯超限難題。

3)成莊礦4312綜放工作面現(xiàn)場采取“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡巷埋管”采空區(qū)瓦斯立體化高效抽采措施，工作面上隅角瓦斯?jié)舛忍幱?.30%～0.45%之間，43122巷平均瓦斯?jié)舛燃s為0.14%，43124巷平均瓦斯?jié)舛燃s為0.38%?，F(xiàn)場應用效果驗證了數(shù)值模擬的計算結(jié)果，研究表明：采空區(qū)瓦斯立體化高效抽采措施能夠治理高瓦斯礦井回采工作面U型通風方式下上隅角瓦斯超限難題。