301工作面回風(fēng)巷瓦斯超限的均壓抽放法治理實(shí)踐

趙強(qiáng)

（山西蘭花煤層氣有限公司，山西 晉城048000）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速可持續(xù)發(fā)展，對煤炭的需求不斷增加，煤礦采空區(qū)瓦斯涌出量也日益增大，嚴(yán)重危害煤礦生產(chǎn)的安全。山西蘭花集團(tuán)亞美大寧煤礦采空區(qū)瓦斯涌出量占總瓦斯涌出量的42%，井下工作面與采空區(qū)之間的氣壓易受擾動(dòng)，采空區(qū)瓦斯極可能涌向工作面或相鄰巷道，從而造成瓦斯超限，存在嚴(yán)重的安全隱患，必須及時(shí)治理。山西蘭花煤層氣有限公司是蘭花集團(tuán)控股的股份制公司，主營從事瓦斯治理、煤層氣開發(fā)利用等技術(shù)服務(wù)工作，受集團(tuán)公司委托對大寧煤礦井下采空區(qū)瓦斯超限問題進(jìn)行治理。

1 工作面概況

大寧煤礦煤炭儲(chǔ)量約為2.16億噸，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為400萬噸/年，主采3#煤層。301工作面長1651 m，寬245 m，傾斜長175 m。3#煤層厚3.0～5.5 m，一般4.7 m左右，煤層結(jié)構(gòu)比較簡單，有2～4層不穩(wěn)定夾矸，厚度0.05～0.15 m不等，煤層傾角2°～8°，平均傾角為5°。具體巖性情況如下：

偽頂：0～0.3 m，炭質(zhì)泥巖，厚度和分布范圍不穩(wěn)定；

直接頂：泥巖、粉砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖互層組成的復(fù)合頂板，厚10～13.0 m，巖性變異性較大，垂直裂隙和層理發(fā)育；

老頂：以中厚層砂巖為主，夾薄層泥巖，正常區(qū)段穩(wěn)定性較好。

301工作面采用兩進(jìn)一回的Y形通風(fēng)方式，主進(jìn)風(fēng)巷與運(yùn)料巷為進(jìn)風(fēng)巷，運(yùn)料巷沿空留巷部分為回風(fēng)巷，如圖1所示。主進(jìn)風(fēng)巷壓能高于副進(jìn)風(fēng)巷壓能，因此采空區(qū)聚集的高濃度瓦斯容易涌向回風(fēng)巷，造成瓦斯超限。301工作面上覆5#煤層具有突出危險(xiǎn)性，5#煤層受301保護(hù)層采動(dòng)影響，瓦斯會(huì)大量涌向301工作面采空區(qū)，造成瓦斯超限，嚴(yán)重影響了301工作面回采速度，必須及時(shí)進(jìn)行治理。本文采用理論分析與數(shù)值模擬，對各種均壓抽放法抑制Y形通風(fēng)條件下采空區(qū)瓦斯涌出的方案進(jìn)行可行性研究，并經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)確定了合理的實(shí)施方案。

圖1 301工作面布置及密閉位置示意圖

2 均壓抽放采空區(qū)瓦斯模擬試驗(yàn)

2.1 均壓抽放采空區(qū)瓦斯原理

均壓抽放的實(shí)質(zhì)是通過密閉采空區(qū)改變主進(jìn)風(fēng)巷漏風(fēng)和采空區(qū)兩側(cè)風(fēng)壓，進(jìn)而改變采空區(qū)瓦斯分布，同時(shí)配以移動(dòng)泵采空區(qū)埋管進(jìn)行瓦斯抽放，調(diào)節(jié)采空區(qū)兩側(cè)壓能，從而達(dá)到減少采空區(qū)瓦斯涌向回風(fēng)巷的目的。本文針對301工作面具體情況，數(shù)值模擬分析各種均壓抽放方案的瓦斯治理效果，確定最優(yōu)方案。

2.2 均壓抽放采空區(qū)瓦斯模擬

2.2.1 建立計(jì)算模型

研究對象取自采空區(qū)開切眼部分沿走向100 m，采空區(qū)沿傾向150 m區(qū)域內(nèi)，如圖2所示。由于采空區(qū)深部已經(jīng)被基本壓實(shí)，孔率平均取0.1。通風(fēng)方式采用“兩進(jìn)一回”Y形通風(fēng)方式。巷道寬約為3.4 m，風(fēng)量1120 m3/min。

圖2 計(jì)算區(qū)域物理模型

2.2.2 模擬參數(shù)

風(fēng)量按照斷面面積進(jìn)行折算，由于抽放條件下前方瓦斯會(huì)沿左側(cè)不斷進(jìn)行補(bǔ)給，為了簡化計(jì)算過程，區(qū)域內(nèi)瓦斯涌出源項(xiàng)按照瓦斯涌出總量25 m3/min進(jìn)行折算。回風(fēng)巷風(fēng)流采用κ-ε雙方程紊流模型，采空區(qū)風(fēng)流為層流模型。煤體耗氧速率取1.52×10-5kg/（m3·s），抽放負(fù)壓取10 kPa。在抽放條件下，抽放口會(huì)將兩進(jìn)風(fēng)口空氣吸入，達(dá)不到均壓抽放瓦斯的效果，應(yīng)考慮在相應(yīng)的巷道兩側(cè)設(shè)置密閉墻。

2.2.3 模擬結(jié)果分析

（1）A和D處設(shè)置密閉墻

A和D處同時(shí)布置密閉墻，可得“兩外墻”方式下瓦斯分布計(jì)算情況，抽放口瓦斯主要來自采空區(qū)下部。主要原因是在抽放條件下，抽放口至運(yùn)料巷的區(qū)域中存在低壓區(qū)，運(yùn)料巷中的空氣在壓差的作用下穿過采空區(qū)流入抽放口，干擾瓦斯抽放效果，導(dǎo)致工作面的大量風(fēng)流向采空區(qū)泄露。

同理，從A，C、D處同時(shí)布置密閉墻時(shí)的瓦斯分布狀態(tài)可知，這種方案也不能阻止運(yùn)料巷空氣流入抽放口，因此為提升均壓抽放效果，須縮減上部進(jìn)風(fēng)口與抽放口之間的壓力以減少漏風(fēng)。

（2）在B和C處設(shè)置密閉墻

基于上述分析結(jié)論，考慮將密閉墻布置在B和C處，即“兩內(nèi)墻”方式，從得到的瓦斯分布情況可知，在沒有外墻封閉的情況下，進(jìn)風(fēng)巷距抽放口較近，并且會(huì)對抽放口產(chǎn)生直接的干擾作用，風(fēng)流穿過采空區(qū)，繞過內(nèi)墻流入抽放口，導(dǎo)致抽放濃度偏低。

同理，在開切眼同時(shí)安裝內(nèi)墻、外墻，即在A、B和C處布置密閉墻，也會(huì)導(dǎo)致上述情況發(fā)生。因此無論哪種布置方式，必須在主進(jìn)風(fēng)巷與工作面的交匯處（D處）設(shè)置密閉墻，將留巷封閉。

（3）A、B、C和D處同時(shí)布置密閉墻

從瓦斯?jié)舛扔?jì)算結(jié)果可知，采空區(qū)漏風(fēng)主要分兩部分，即主進(jìn)風(fēng)巷繞過密閉墻進(jìn)入采空區(qū)，然后進(jìn)入放口；回風(fēng)巷內(nèi)空氣進(jìn)入采空區(qū)，沿開切眼進(jìn)入抽放口。由于在B處加裝密閉墻，在運(yùn)料巷和抽放口之間起到了均壓作用，運(yùn)料巷向抽放口的漏風(fēng)小于其他布置方式，主進(jìn)風(fēng)巷也不會(huì)對抽放口產(chǎn)生干擾作用。在B處和C處布置內(nèi)墻可促使抽放負(fù)壓比較集中，不會(huì)造成額外沿程損失，抽放濃度比較高，優(yōu)于其他布置方式。

2.2.4 均壓密閉方案選擇

通過理論計(jì)算與Fluent數(shù)值模擬看出，在A、B、C和D處同時(shí)布置密閉墻能起到均壓的作用，即在留巷與切眼交匯處的兩側(cè)，主進(jìn)風(fēng)巷與工作面交匯處、開切眼與回風(fēng)巷交匯處分別設(shè)置密閉墻，同時(shí)在留巷一側(cè)安裝移動(dòng)泵，埋管抽放采空區(qū)的瓦斯，降低主進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)側(cè)壓，改變采空區(qū)中的瓦斯流向，抑制采空區(qū)瓦斯涌向回風(fēng)巷，從而起到杜絕回風(fēng)巷瓦斯超限的目的。

2.3 現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用

為防止由于漏風(fēng)而引起的采空區(qū)自燃發(fā)火，采用束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)氣體成分進(jìn)行采樣、監(jiān)測。一旦發(fā)現(xiàn)采空區(qū)氣體成分出現(xiàn)異常變化，尤其是CO氣體濃度明顯增加，應(yīng)立刻停止抽放，分析原因，采取相對應(yīng)的防火、滅火措施。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)瓦斯抽放濃度監(jiān)測，若瓦斯抽放濃度低于20%，為保證抽放效果應(yīng)停止抽放。

3 效果分析

均壓抽放瓦斯的方案，在301工作面采空區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用取得了顯著的效果，采空區(qū)瓦斯抽放濃度維持在26%以上，瓦斯抽放純量為7.5 m3/min時(shí)，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛让黠@降低，由均壓密閉墻進(jìn)行抽放前的平均0.53%，降低為平均0.28%，風(fēng)排瓦斯量減少了2.35 m3/min。

4 結(jié)論

（1）采用模擬對比的方法分析了不同均壓抽放方案的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了均壓抽放法抑制采空區(qū)瓦斯涌出的具體方案。在主進(jìn)風(fēng)巷留巷與開切眼交匯處的兩側(cè)，主進(jìn)風(fēng)巷與回采面交匯處、開切眼留巷與回風(fēng)巷留巷交匯處分別進(jìn)行密閉，同時(shí)安裝移動(dòng)泵在主進(jìn)風(fēng)巷留巷一側(cè)采空區(qū)埋管抽放瓦斯。

（2）現(xiàn)場應(yīng)用得到301工作面采空區(qū)瓦斯抽放純量為7.5 m3/min左右，抽放濃度維持在26%以上（Y形回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛龋鶋好荛]抽放前平均0.53%降低為平均0.28%，風(fēng)排瓦斯量減少了2.35 m3/min，消除了Y形回風(fēng)巷瓦期超限的安全隱患。