上鄰近保護層開采Y型通風采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律及控制
——平煤六礦戊8-32010工作面案例研究

薛俊華，馬 騫，李延河，李洪彪，袁占棟

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 六礦，河南 平頂山 467000)

0 引 言

高瓦斯煤層在井工開采過程中，工作面一直面臨著采空區(qū)和上隅角的瓦斯積聚問題[1-2]，尤其是近距離上保護層開采工作面，由于開采擾動后下鄰近層卸壓瓦斯竄入采空區(qū)，導致采空區(qū)和上隅角瓦斯?jié)舛染痈卟幌?，嚴重妨礙著礦井安全生產(chǎn)。Y型通風系統(tǒng)可以消除上隅角瓦斯積聚，解決上隅角瓦斯易于超限的問題，是一條實現(xiàn)安全、高效、經(jīng)濟一體化生產(chǎn)的有效途徑[3]。

雖然Y型通風系統(tǒng)解決了上隅角瓦斯超限問題，但同時改變了采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓鯷4-5]，所以在施工過程中不能套用以前U型通風的瓦斯?jié)舛葓龇植家?guī)律以及瓦斯治理技術(shù)[6-7]。只有摸清楚瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律，找出適合該工作面的系統(tǒng)風量及2條進風巷的風量分配，確定出高濃度瓦斯區(qū)域，在留巷內(nèi)向此區(qū)域施工抽采鉆孔才是解決采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀叩目茖W方法[8-9]。

為此，眾多學者從理論研究、數(shù)值模擬、實驗室試驗和現(xiàn)場試驗等方面進行了大量研究，獲得了Y型通風采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓龇植家?guī)律[10]，偏Y型通風采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律[11]，開發(fā)了Y型通風風控瓦斯技術(shù)、留巷鉆孔法抽采瓦斯技術(shù)等[12]。但是由于理論研究將現(xiàn)場復雜的條件做了理想簡化及假設(shè)，一般不能很好的指導現(xiàn)場試驗[13-14]。數(shù)值模擬試驗在理論研究的基礎(chǔ)上也做了一些條件假設(shè)，會與現(xiàn)場的試驗有些差異，但是其適用性較強[15-17]。只有結(jié)合理論研究和數(shù)值模擬試驗，才可以較好的指導現(xiàn)場工業(yè)性實驗。

為了研究平頂山礦區(qū)煤層群特征下的上鄰近保護層開采Y型通風采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓龇植家?guī)律及控制技術(shù)，文中基于理論研究，建立了采空區(qū)瓦斯涌出模型，并導入到FLUENT數(shù)值模型之中，研究了上鄰近保護層Y型通風采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律，并以進風巷風量分配為自變量，研究了其對瓦斯分布規(guī)律的影響，結(jié)合現(xiàn)場試驗，確定最合適的進風巷風量分配，并在現(xiàn)場進行了驗證，對比分析了導致數(shù)值模擬試驗和現(xiàn)場試驗結(jié)果之間差異的原因，最后利用留巷鉆孔法對抽采效果進行考察，以期能為同類型煤層條件下的采空區(qū)瓦斯治理提供一定的參考依據(jù)。

1 礦井及工作面概況

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司六礦主采煤層從上至下分別為丁5-6煤層、戊8煤層和戊9-10煤層，丁5-6煤層和戊8煤層平均層間距71 m，戊8煤層和戊9-10煤層平均層間距5 m，經(jīng)煤層突出危險性鑒定后，決定將戊8煤層作為首采層。

戊8-32010工作面位于戊8煤層，平均煤厚2.2 m，設(shè)計可采長度2 300 m，傾向長度220 m，標高-633～-768 m，埋深873～938 m，通風系統(tǒng)結(jié)合高位瓦斯抽采巷及機巷切頂留巷布置，采用兩進一回Y型通風方式，機巷、風巷進風，機巷留巷和機巷高抽巷回風，煤層為近水平煤層，遺煤平均厚度為0.2 m，可解吸瓦斯含量為4.3 m3/t，煤壁瓦斯初始涌出速率為0.003 56 m3/(m2·min)。工作面布置示意圖如圖1所示。

圖1 煤層層位關(guān)系及工作面布置示意Fig.1 Relation of coal layers and working face

2 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律及抽采數(shù)值模擬

2.1 條件假設(shè)

1)采空區(qū)為冒落矸石和巖塊構(gòu)成的帶有空隙的多孔介質(zhì)，并將多孔介質(zhì)視為各向同性。

2)采空區(qū)氣體不可壓縮，不產(chǎn)生化學反應，其流動近似為穩(wěn)態(tài)流動、等溫過程。

3)忽略瓦斯的浮升效應，瓦斯充滿整個采空區(qū)。

4)采空區(qū)瓦斯涌出源來自鄰近層和遺煤。

5)遺煤和鄰近層產(chǎn)生的瓦斯都是瞬間釋放的，忽略解吸時間。

2.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

模擬對象為戊8-32010工作面，工作面長度220 m，采空區(qū)深度300 m，據(jù)現(xiàn)場考察，豎向裂隙帶高度穩(wěn)定在57 m，所以采空區(qū)高度設(shè)置為57 m，工作面寬度10 m，工作面高度4 m，風巷、機巷長度20 m，寬度4 m，高度3.5 m，建成的模型如圖2所示。

圖2 戊8-32010工作面數(shù)值模型Fig.2 Numerical simulation of Fifth8-32010 working face

風巷、機巷和留巷網(wǎng)格間距為1 m×1 m，采空區(qū)模塊網(wǎng)格尺寸為2 m×2 m，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Net divsion

2.3 采空區(qū)瓦斯涌出源模型

2.3.1 采空區(qū)空隙率分布模型

采空區(qū)空隙率與滲透率分布規(guī)律符合“O”形圈覆巖垮落形態(tài)，采空區(qū)空隙率與滲透率分布的數(shù)學表達如公式(1)和(2)[18]。

n(x,y,z)=

(1)

(2)

式中，n(x，y，z)為空隙率；L為工作面長度，m；k(x，y，z)為滲透率，m2；Dp為采空區(qū)冒落巖塊平均粒徑，取250 mm[19].

2.3.2 采空區(qū)遺煤瓦斯放散模型

采空區(qū)不同位置處的瓦斯涌出速率qc(y)可用公式組(3)求得[20]。

(3)

式中a為瓦斯涌出初始強度，m3/min；b為瓦斯涌出衰減系數(shù)，min-1；y為遺煤位置到工作面的距離，m；Vx為工作面推進速度，m/min；Qt為單位體積遺煤可解吸瓦斯放散體積，m3/m3；T為解吸時間，取288 000 min(即200 d).

通過上述方程組結(jié)合工作面遺煤放散條件，即可求出遺煤瓦斯涌出速率。

2.3.3 下鄰近層瓦斯涌出模型

戊8-32010工作面開采時，戊9-10卸壓瓦斯涌入工作面采空區(qū)，下鄰近層瓦斯涌出量可由公式(4)求得，其中工作面煤壁絕對瓦斯涌出量參數(shù)，可由公式(5)求得，瓦斯排放率可由公式(6)求得，最終得出下鄰近層的瓦斯涌出量[11]。

(4)

(5)

(6)

式中Qs為戊9-10煤層量瓦斯涌出量，m3/min；mi為戊9-10煤層厚度，3.1 m；Qb為戊8-32010工作面絕對瓦斯涌出量，m3/min；hi為鄰近層層間距，m；其余薄煤層瓦斯涌出量忽略不計；ηs為戊9-10煤層的瓦斯排放率；L為戊8-32010工作面長度，m；h為開采厚度，2.2 m；S為開采層與鄰近層層間距，13 m；q0為工作面煤壁剛暴露時單位面積煤壁的瓦斯涌出強度，m3/(m2·min)；V為工作面采煤機割煤時期平均牽引速度，m/min，實測值為10.08 m/min；Tc為工作面正常生產(chǎn)班期間，采煤機完成一次割煤周期所用時間，min，實測值為44 min。

2.4 采空區(qū)瓦斯運移方程組選擇

選擇的氣體組分為甲烷-空氣混合氣體，選擇湍流方程、連續(xù)性方程和動量守恒方程作為混合氣體在采空區(qū)內(nèi)的流動方程。假設(shè)混氣擴散符合Fick定律，其中混合氣體在采空區(qū)中的流動方程的統(tǒng)一表達式如式(7)所示，F(xiàn)ick擴散定律的表達式如式(8)所示[21]。

(7)

式中ρ為氣體密度，kg/m3；φ為通用變量；t為時間，s；Γ為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。

(8)

式中r為極坐標半徑，m；D為擴散系數(shù)，m2/s；c為瓦斯?jié)舛?，mol/m3。

2.5 邊界條件及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

為研究系統(tǒng)風量為2 830 m3/min時，兩進風巷進風配比對工作面及留巷的瓦斯?jié)舛鹊挠绊?，共設(shè)置了2個進風入口和一個出口。2個進風入口，分別表示戊8工作面機巷和風巷，工作面機巷風量與機巷風量之比分別為：1∶3，1∶2和1∶1.5，一個出口設(shè)置為自然出流。

2.6 抽采條件設(shè)置

在留巷向里距離工作面切頂線10 m處增加抽放匯對采空區(qū)瓦斯進行抽采，抽采管直徑為500 mm，鉆孔高度為巷道底部2 m處。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 瓦斯?jié)舛确植家?guī)律實驗結(jié)果及分析

在總風量2 830 m3/min的基礎(chǔ)上，對工作面機、風巷風量分配進行調(diào)整試驗，分別對機巷、風巷風量比例1∶3，1∶2和1∶1.53種狀態(tài)對工作面瓦斯質(zhì)量分數(shù)的影響進行研究，結(jié)果如圖4所示。

圖4 采空區(qū)瓦斯?jié)舛葓瞿M結(jié)果Fig.4 Simulation results of gas concentration field in goaf

由圖4可得，配風比例為1∶3時，通過工作面的風量較大，上下隅角壓差增大，風巷端口與留巷壓差也隨之增大，導致工作面漏風嚴重，造成采空區(qū)防滅火難度加大；配風量為1∶1.5時，采空區(qū)和留巷處瓦斯?jié)舛葏^(qū)域面積明顯增大，基本可以看出增大風巷風量比例，工作面漏風加劇，減少風巷風量，采空區(qū)和留巷內(nèi)瓦斯?jié)舛葧龃?，而當采用配風比例1∶2時，一方面可以令工作面漏風情況得以控制，另一方面也可以緩解采空區(qū)和留巷內(nèi)瓦斯積聚，所以配風比例為1∶2時更適合于戊8-32010工作面。

在Y型通風條件下，瓦斯向采空區(qū)深部不斷積聚，且采空區(qū)尾部風巷側(cè)瓦斯體積分數(shù)高于尾部留巷側(cè)，由卸壓鉆孔法抽采卸壓瓦斯機理可知[12]，采空區(qū)和覆巖裂隙區(qū)相連通，在留巷后部向采空區(qū)布置瓦斯抽采鉆孔，可以持續(xù)高濃度抽采瓦斯資源。

3.2 瓦斯抽采實驗結(jié)果及分析

采用配風比例為1∶2的通風模式建立戊8-32010工作面采空區(qū)抽采模型并布置尾抽鉆孔，抽采模型如圖5所示，抽采結(jié)果如圖6所示。

圖5 戊8-32010工作面抽采模型Fig.5 Extraction model of Fifth8-32010 working face

圖6 戊8-32010工作面瓦斯抽采模擬結(jié)果Fig.6 Simulation results of gas extraction at Fifth8-32010 working face

由圖6可以看出，利用尾抽鉆孔抽采瓦斯后，采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)明顯降低，說明在留巷深部向采空區(qū)布置鉆孔可以高效抽采瓦斯。

4 討 論

(9)

式中Ma為空氣摩爾質(zhì)量，kg/mol；Mg為瓦斯摩爾質(zhì)量，kg/mol。

在總風量2 830 m3/min的基礎(chǔ)上，對工作面機、風巷風量分配進行調(diào)整試驗，分別對機巷、風巷風量比例1∶3，1∶2和1∶1.5這3種狀態(tài)時，對工作面3個測點和留巷內(nèi)2個測點共5個測點的瓦斯?jié)舛冗M行對比分析，測點布置如圖7所示，現(xiàn)場試驗測點與對應測試位置見表1。

圖7 瓦斯?jié)舛葴y點布置Fig.7 Layout of gas concentration measuring dots

表1 試驗測點與對應測試位置

先將現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬實驗5個測點位置的瓦斯體積分數(shù)統(tǒng)計、并繪圖，瓦斯體積濃度對比結(jié)果如圖8所示。

由圖8(a)可得，機、風巷風量配比1∶3時工作面瓦斯?jié)舛仍?.16%～0.3%之間，留巷段瓦斯?jié)舛仍?.32%～0.69%之間；配比為1∶1.5時工作面瓦斯?jié)舛仍?.24%～0.5%之間，留巷段瓦斯?jié)舛仍?.51%～0.64%之間。由圖8(b)可得，機、風巷風量配比1∶3時工作面瓦斯?jié)舛仍?.02%～0.05%之間，留巷段瓦斯?jié)舛仍?.05%～0.3%之間；配比為1∶1.5時工作面瓦斯?jié)舛仍?.05%～0.07%之間，留巷段瓦斯?jié)舛仍?.04%～0.28%之間。

綜上可得，風巷風量比例越小，工作面瓦斯?jié)舛仍礁?，留巷段瓦斯?jié)舛仍礁撸伙L巷風量比例越大，工作面瓦斯?jié)舛仍降停F(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬試驗采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔莼疽恢?。但工作面處和留巷?nèi)瓦斯?jié)舛戎挡町愝^大，造成這一差異的主要原因是數(shù)值模擬中無法控制工作面向采空區(qū)內(nèi)漏風和采空區(qū)向留巷內(nèi)漏風的過程，后續(xù)筆者會就這一問題做進一步研究。

最后在留巷段向里距離工作面切頂線10 m處施工了瓦斯尾抽鉆孔，抽采了采空區(qū)瓦斯，在此期間，工作面和采空區(qū)瓦斯都處于安全值以內(nèi)[23-24]，相比于上個相鄰U型工作面推進速度，本工作面推進速度明顯提高，如圖9為日產(chǎn)量與抽采濃度之間的關(guān)系圖。

圖8 瓦斯體積濃度對比Fig.8 Comparison of gas volume and itss concentration

圖9 工作面日產(chǎn)量與瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)系Fig.9 Relationship between day-products and gas concentration in working face

從圖9可以看出，利用尾抽抽采采空區(qū)尾部瓦斯，瓦斯?jié)舛榷荚?0%以上，說明在尾部布置瓦斯抽采效果較好。在抽采效果考察后期，日產(chǎn)量有短時間的相對減小，這是由于此時煤層上覆巖層破斷垮落，裂隙帶初步形成，將尾抽為主的抽采方式轉(zhuǎn)化為高抽巷裂隙帶瓦斯為主抽采方式，一部分瓦斯通過裂隙帶進行抽采，暫時降低了日產(chǎn)量。

5 結(jié) 論

1)在采空區(qū)瓦斯涌出和下鄰近層瓦斯涌出強度一定時，近距離上保護層Y型通風的瓦斯易于積聚在采空區(qū)尾部，越靠近尾部，瓦斯體積分數(shù)增加速率越大，采空區(qū)尾部留巷側(cè)瓦斯體積分數(shù)低于尾部風巷側(cè)，在留巷尾部一定位置處布置瓦斯抽采鉆孔能高效抽采瓦斯，并且此濃度場與單煤層Y型通風瓦斯?jié)舛葓龇植家?guī)律基本一致。

2)增大風巷風量比例，會導致采空區(qū)瓦斯大量涌入留巷；減小風巷風量比例，會導致工作面瓦斯增加，因此改變2條進風巷配風量，工作面和留巷的瓦斯?jié)舛葧S之變化。