煤礦采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)分析

董學(xué)林

中煤華晉集團(tuán)韓咀煤業(yè)有限公司 山西臨汾 042199

當(dāng)前我國煤礦生產(chǎn)中最為常見的事故災(zāi)害便是瓦斯故障，這也是企業(yè)面臨的重要問題，除了關(guān)系到煤礦開采外，一旦發(fā)生瓦斯事故還會(huì)威脅到現(xiàn)場(chǎng)所有工作人員的人身安全。結(jié)合當(dāng)前煤礦采空區(qū)作業(yè)現(xiàn)狀，瓦斯治理技術(shù)是防范相關(guān)事故的有效手段，通過礦井瓦斯預(yù)測(cè)與監(jiān)測(cè)等方式，及時(shí)發(fā)現(xiàn)采空區(qū)潛在的安全隱患，避免發(fā)生瓦斯事故。鑒于此，下面圍繞瓦斯治理技術(shù)的應(yīng)用展開分析。

1 采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)概述

按照以往積累的工作經(jīng)驗(yàn)，如果長壁回采工作面出現(xiàn)瓦斯涌出的現(xiàn)象，原因可能是采煤、煤壁釋放，該原因占比為20-30%，另外則是采空區(qū)涌出，在所有原因中占比高達(dá)70%-80%[1]。通常采場(chǎng)風(fēng)流主要分為兩個(gè)方面，其一是工作面下方漏入采空區(qū)，在工作面上部進(jìn)入到工作面內(nèi)，積聚在上隅角，其二是從工作面流過，將落煤、煤壁兩個(gè)部位的瓦斯帶入到工作面的上隅角位置。

由此可以分析采空區(qū)瓦斯的主要來源渠道，分為三個(gè)方面：第一，采空區(qū)內(nèi)部的風(fēng)流會(huì)將采煤其中部分瓦斯帶入到采空區(qū)中；第二，位于采空區(qū)內(nèi)部、附近煤層瓦斯，會(huì)順延頂?shù)装宓目p隙進(jìn)入到開采層采空區(qū)中；第三，采空區(qū)中的瓦斯釋放，也是非常重要的來源渠道，關(guān)于這一點(diǎn)可以從4 個(gè)層面理解，首先，工作面實(shí)施放頂煤作業(yè)期間，落煤時(shí)卸壓瓦斯會(huì)大量涌出；其次，分層開采期間進(jìn)行卸壓之后，位于下分層的煤層瓦斯會(huì)涌出；再次，原本采空區(qū)的遺煤瓦斯發(fā)生涌出；最后，在采動(dòng)作用下位于煤層深部的瓦斯會(huì)涌入采空區(qū)。

總結(jié)采空區(qū)內(nèi)瓦斯的分布規(guī)律，可以從采空區(qū)瓦斯、瓦斯上浮與擴(kuò)散、風(fēng)流流動(dòng)等方面展開分析。由于采空區(qū)內(nèi)的分流運(yùn)動(dòng)規(guī)律分別在靜止、層流、紊流三個(gè)區(qū)域展開，所以區(qū)域內(nèi)部的大小一般受頂板巖性、開采高度以及工作面長度等因素影響[2]。

2 煤礦采空區(qū)瓦斯治理建模

2.1 創(chuàng)建瓦斯?jié)B流數(shù)學(xué)模型

首先明確混合氣體狀態(tài)，采空區(qū)內(nèi)部的混合氣體包括瓦斯、氮?dú)?、氧氣，假設(shè)氣體是理想氣體，由此總結(jié)狀態(tài)方程：①。公式①中的T 代表外界絕對(duì)溫度，R0 是普適氣體常數(shù)，M 代表的是混合氣體摩爾質(zhì)量，m 是混合氣體質(zhì)量，V 是混合氣體質(zhì)量，而P 在代表絕對(duì)壓力[3]。

其次分析采空區(qū)氣體流動(dòng)，可以將采空區(qū)視為具有連續(xù)性特征的滲流空間，在其中引入空度因子，再運(yùn)用Navier-Stokes 方程、氣體質(zhì)量守恒定律，得到公式②。公式②中的Fi 代表采空區(qū)所有組分氣體流動(dòng)狀態(tài)下的流動(dòng)阻力，μ 是氣體動(dòng)力黏性系數(shù)，P 是采空區(qū)氣體壓力，gi 是流體流動(dòng)加速度分量，ui、uj 代表的是i 和j 兩個(gè)方向流體滲流速度的速度分量。

2.2 模擬采空區(qū)風(fēng)流場(chǎng)數(shù)值

第一，建模與劃分網(wǎng)格。按照煤礦地質(zhì)條件針對(duì)綜采工作面的采空區(qū)創(chuàng)建物理模型，模型的長度以160m 為準(zhǔn)，采空區(qū)順延煤層的長度以100m 為準(zhǔn)，綜采工作面的寬度控制在8m，網(wǎng)格尺寸規(guī)格為1m×1m。

第二，針對(duì)采空區(qū)的風(fēng)流分布數(shù)值進(jìn)行模擬。首先總結(jié)穩(wěn)態(tài)條件下的采空區(qū)風(fēng)流分布規(guī)律?；诠ぷ髅骘L(fēng)流穩(wěn)態(tài)條件，采空區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)流分布必須實(shí)時(shí)觀察，將采空區(qū)孔隙率設(shè)定為0.3，保證工作面通風(fēng)正常的條件下，總結(jié)風(fēng)流分布規(guī)律如下：接近綜采工作面位置，巖石空隙越大，但是風(fēng)流流動(dòng)阻力會(huì)相對(duì)減小，這回導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)部風(fēng)速、漏風(fēng)量增加。在采空區(qū)深處，受到頂板壓實(shí)作用的影響，風(fēng)速、漏風(fēng)量越來越小。除此之外，綜采工作面的采空區(qū)漏風(fēng)位置多位于進(jìn)風(fēng)巷，所以建議工作人員在進(jìn)風(fēng)巷的一側(cè)安裝擋風(fēng)墻，接近漏風(fēng)的問題。

其次分析采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯尾巷，建議將瓦斯尾巷與工作面之間的距離設(shè)置為30m，工作面通風(fēng)、尾巷抽放兩個(gè)環(huán)節(jié)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)向風(fēng)速測(cè)量數(shù)據(jù)如下：（1）檢測(cè)點(diǎn)1 風(fēng)速為0.078m·s-1，方向?yàn)?8.9；（2）檢測(cè)點(diǎn)2 風(fēng)速為0.067m·s-1，方向?yàn)?3.0；（3）檢測(cè)點(diǎn)3 風(fēng)速為0.030m·s-1，方向?yàn)?5.2；（4）檢測(cè)點(diǎn)4 風(fēng)速為0.055m·s-1，方向?yàn)?23.6；（5）檢測(cè)點(diǎn)5 風(fēng)速為0.044m·s-1，方向?yàn)?22.6。通過以上數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)內(nèi)部布設(shè)瓦斯尾巷實(shí)施瓦斯抽放作業(yè)，工作面漏風(fēng)會(huì)深入到采空區(qū)的深處，區(qū)域內(nèi)的風(fēng)流與風(fēng)速明顯大于采取措施之前。

再次，采空區(qū)內(nèi)布設(shè)瓦斯抽放管。在距離工作面20m 的位置設(shè)置瓦斯抽放管，工作面通風(fēng)、利用瓦斯抽放管抽放瓦斯期間，記錄現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)向與風(fēng)速數(shù)值2。分析發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橥咚钩榉殴芫唧w導(dǎo)流的效果，所以工作面漏風(fēng)也會(huì)深入到采空區(qū)的深處，區(qū)域范圍內(nèi)風(fēng)流速度比采取措施之前更大。另外，采空區(qū)壓實(shí)穩(wěn)定范圍內(nèi)的漏風(fēng)量、風(fēng)流速度整體較小。

最后，采空區(qū)內(nèi)部布設(shè)高抽巷。在回風(fēng)側(cè)30m 的部位設(shè)置瓦斯高抽巷，與工作面之間的距離控制在30m，從而實(shí)施采空區(qū)瓦斯抽放作業(yè)，隨即模擬采空區(qū)風(fēng)流分布情況?？偨Y(jié)風(fēng)險(xiǎn)越接近綜采工作面，會(huì)受到高抽巷引流效果的影響，提高工作面漏風(fēng)速度、漏風(fēng)量，同時(shí)受瓦斯高抽巷導(dǎo)流的影響，使得工作面漏風(fēng)深入到采空區(qū)的深處，區(qū)域范圍內(nèi)風(fēng)流速度明顯超過采取措施之前。因?yàn)楦叱橄锊]有設(shè)置在采空區(qū)邊緣處，漏風(fēng)帶來的影響范圍與尾巷、抽放管相比效果更佳。

總而言之，綜采工作面的采空區(qū)漏風(fēng)位置多處于進(jìn)風(fēng)巷周圍，為了解決漏風(fēng)的問題，建議在進(jìn)風(fēng)巷側(cè)放置擋風(fēng)墻。如果采用瓦斯尾巷、瓦斯抽放管、瓦斯高抽巷這三種方式實(shí)施采空區(qū)的瓦斯抽放作業(yè)，可以發(fā)現(xiàn)采空區(qū)中后方所呈現(xiàn)的瓦斯風(fēng)流速度會(huì)存在避免明顯的變化，抽放口與采空區(qū)距離越近，采空區(qū)漏風(fēng)量、漏風(fēng)速度也會(huì)隨之增加，致使采空區(qū)遺煤氧化的規(guī)模擴(kuò)大。

3 應(yīng)用煤礦采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)優(yōu)化建議

3.1 遵循先抽后采順序

作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)開始抽放瓦斯前必須遵循先抽后采的根本原則，以加強(qiáng)采掘作業(yè)安全性為前提，設(shè)定分界點(diǎn)。建礦采區(qū)、工作面在實(shí)施開采前，工作人員需要確定預(yù)抽方法與時(shí)間，一般會(huì)在高瓦斯突出礦井內(nèi)預(yù)抽瓦斯，降低煤層瓦斯的含量，使采掘環(huán)節(jié)瓦斯治理工作能夠更加有序的展開，加強(qiáng)后續(xù)采掘作業(yè)的安全性。礦井瓦斯抽放規(guī)劃中詳細(xì)規(guī)定瓦斯預(yù)抽與瓦斯抽放的有效方法，結(jié)合各項(xiàng)抽放技術(shù)特征做好抽、掘、采生產(chǎn)方案的設(shè)置，并且按照要求組織現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，提高瓦斯抽放有效性與瓦斯治理能力。

3.2 實(shí)施煤層氣作業(yè)監(jiān)督管理

抽放瓦斯可以避免煤礦瓦斯事故，也有利于煤礦周圍環(huán)境保護(hù)，提高資源利用率。所以，在實(shí)施采空區(qū)瓦斯治理期間，需要對(duì)煤層氣的開發(fā)、瓦斯抽放進(jìn)行監(jiān)督管理，制定針對(duì)性的規(guī)劃制度與監(jiān)督機(jī)制，站在法律與經(jīng)濟(jì)的角度開放瓦斯抽放作業(yè)，加強(qiáng)煤炭資源、煤層氣開發(fā)的協(xié)調(diào)性。另外，瓦斯抽放指標(biāo)作為礦井安全生產(chǎn)工作的一部分，制定相應(yīng)的管理規(guī)定，幫助政府部門實(shí)施監(jiān)察工作，監(jiān)督煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)瓦斯抽放，針對(duì)不滿足要求的礦井予以處罰，消除瓦斯事故因素。

4 結(jié)語

綜上所述，瓦斯事故作為煤礦生產(chǎn)期間最為常見的災(zāi)害，工作人員需要分析導(dǎo)致該問題的根本原因，采用瓦斯治理技術(shù)，將采空區(qū)內(nèi)所有瓦斯事故潛在隱患消除，再結(jié)合以往工作積累的經(jīng)驗(yàn)，制定完善的瓦斯治理方案，總結(jié)采空區(qū)瓦斯抽放需求，避免出現(xiàn)瓦斯泄露的問題，降低礦井內(nèi)部通風(fēng)壓力，規(guī)避瓦斯事故，也為煤礦工作人員提供安全保障。