基于采空區(qū)懸管引流裝置的工作面上隅角瓦斯治理研究

朱紅青，郭晉麟，白志鵬，暴慶豐

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院，北京 100083； 2.山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山西 長治 046200)

我國經(jīng)濟(jì)的高速增長加大了煤炭資源的消耗，礦井的開采強(qiáng)度、深度增大，煤礦井下開采帶來的瓦斯問題日益突出[1-3]。根據(jù)通風(fēng)理論[4]，“U”型通風(fēng)回采工作面的風(fēng)流進(jìn)入回風(fēng)巷道和采空區(qū)，采空區(qū)中的風(fēng)流經(jīng)上部重新流入回風(fēng)巷道，由于瓦斯密度比空氣小且同時(shí)受采空區(qū)漏風(fēng)的影響，工作面上隅角處容易積聚瓦斯，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛雀哂诠ぷ髅嫫渌攸c(diǎn)[5-6]。實(shí)踐表明，若瓦斯治理方式不當(dāng)，輕則會(huì)導(dǎo)致回采工作面停產(chǎn)，重則會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸事故[7]。針對(duì)這種情況，采用采空區(qū)懸管抽采瓦斯，可對(duì)上隅角瓦斯積聚進(jìn)行控制[8-10]。該方法是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法，但存在著抽采效率較低，缺少合適的裝置與之配合提高抽采效率的問題[11-12]。筆者以潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)N1206工作面為例，通過數(shù)值模擬優(yōu)化上隅角采空區(qū)懸管的埋深和負(fù)壓，設(shè)計(jì)引流裝置，用以提升抽采效率，對(duì)采空區(qū)懸管治理上隅角瓦斯超限具有重要的借鑒意義。

1 工作面概況

潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)N1206工作面埋深為531～535 m，主采3#煤層，其平均厚度為6.4 m，煤層傾角為1°。工作面高為3.8 m，寬為4 m，傾向長度為 255 m。進(jìn)回風(fēng)巷道寬為5.4 m，高為3.8 m，長度約為950 m。煤層上覆直接頂為厚3.8 m的粉砂巖，老頂為厚5 m的中粒砂巖。通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔探測(cè)，得到垮落帶高度為17 m，斷裂帶高度為65 m。煤層原始瓦斯含量為10.23 m3/t，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為33.44 m3/min，配風(fēng)量為2 800 m3/min。布置?400 mm風(fēng)筒懸掛于上隅角處，用于稀釋瓦斯。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 基本假設(shè)

1)不考慮流體在流動(dòng)過程中的溫度和熱量的傳導(dǎo)變化，將瓦斯和空氣的混合氣體視為不可壓縮氣體，忽略溫度對(duì)混合氣體體積變化的影響；

2)將采空區(qū)視為多孔介質(zhì)，孔隙率及黏性阻力系數(shù)均勻分布且視為各向同性；

3)工作面的混合氣體在采空區(qū)的流動(dòng)符合Darcy定律[13-14]。

2.2 采空區(qū)非均質(zhì)數(shù)學(xué)模型的建立

1)采空區(qū)是巖石和煤矸石受采動(dòng)影響發(fā)生垮落而形成的區(qū)域[15]，由于該區(qū)域內(nèi)巖石和煤矸石不規(guī)則堆積，產(chǎn)生了大小不同的孔隙。孔隙率是孔隙之間所表現(xiàn)出來的宏觀性質(zhì)，是多孔介質(zhì)所特有的，也是影響多孔介質(zhì)流通性的重要參數(shù)，其計(jì)算公式如下[16]：

(1)

式中：q為多孔介質(zhì)的孔隙率；Vv為孔隙體積，m3；V為多孔介質(zhì)區(qū)域總體積，m3。

2)采空區(qū)內(nèi)部孔隙率可按照“O”型圈分布描述，在水平方向上，其碎脹系數(shù)[17-18]表達(dá)式如下：

Kp(x,y)=Kp,1+(Kp,0-Kp,1)·

(2)

式中：Kp(x,y)為采空區(qū)中某點(diǎn)碎脹系數(shù)；Kp,0、Kp,1分別為初始垮落和壓實(shí)后的碎脹系數(shù)，Kp,0=1.50，Kp,1=1.05；x,y為采空區(qū)某點(diǎn)坐標(biāo)；L為采空區(qū)走向長度，m；a0、a1、ξ1為控制“O”型圈模型的調(diào)整系數(shù)，a0=0.156，a1=0.036 8，ξ1=0.233。

3)采空區(qū)多孔介質(zhì)孔隙率可通過公式結(jié)合碎脹系數(shù)獲得，計(jì)算公式如下[19]：

(3)

式中Kp為巖石碎脹系數(shù)。

4)滲透率可通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，該公式為Blake-Koneny公式，見式(4)[20]：

(4)

式中：α為滲透率；Dp為多孔介質(zhì)中顆粒直徑，取平均值0.15 m。

將孔隙率和滲透率編入U(xiǎn)DF程序，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)孔隙率和黏性阻力系數(shù)的非均質(zhì)分布計(jì)算。根據(jù)公式使用Python程序查看圖形，得到采空區(qū)孔隙率分布云圖，如圖1所示。

2.3 幾何模型的建立及參數(shù)的確定

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建立幾何模型，其中包括進(jìn)風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道、工作面和采空區(qū)，采空區(qū)縱向?yàn)榭迓鋷Ц叨?，忽略井下各種設(shè)備和電線電纜的影響，具體尺寸為：進(jìn)風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道均為20 m(長)×5 m(寬)×4 m(高)；工作面為255 m(長)×6 m(寬)×4 m(高)；采空區(qū)為280 m(長)×255 m(寬)×17 m(高)，無傾角。

進(jìn)風(fēng)設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)，風(fēng)速為2.3 m/s；回風(fēng)為自由出口(Outflow)。采空區(qū)瓦斯總源項(xiàng)為5×10-8kg/(m3·s)，瓦斯涌出強(qiáng)度與距離工作面長度呈負(fù)指數(shù)衰減變化關(guān)系，衰減率為0.037 6。將采空區(qū)中瓦斯源項(xiàng)、孔隙率、黏性阻力參數(shù)導(dǎo)入U(xiǎn)DF，采空區(qū)幾何模型如圖2所示。

圖2 采空區(qū)幾何模型圖

3 采空區(qū)中瓦斯分布、懸管埋深及負(fù)壓的優(yōu)化

3.1 采空區(qū)中瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

采空區(qū)瓦斯?jié)舛?甲烷體積分?jǐn)?shù),下同)分布云圖如圖3和圖4所示。

圖3 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D

圖4 采空區(qū)瓦斯?jié)舛惹衅茍D

2019年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)漏風(fēng)量為300～420 m3/min，大多在350 m3/min左右。模擬的漏風(fēng)量為370 m3/min，表明模擬真實(shí)有效。在走向方向上，進(jìn)回風(fēng)隨著向采空區(qū)的深入，瓦斯?jié)舛染饾u升高；在傾斜方向上，無論在采空區(qū)的任何位置，瓦斯?jié)舛染鶑倪M(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)逐漸增大；在豎直方向上，高處瓦斯?jié)舛却笥诘吞?；整體而言，進(jìn)風(fēng)隅角處瓦斯?jié)舛茸畹?，與之相對(duì)應(yīng)的回風(fēng)側(cè)采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛茸罡摺?/p>

在上隅角位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)(monitor)監(jiān)測(cè)上隅角瓦斯?jié)舛?，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離頂板200 mm，距離巷道側(cè)壁200 mm；在懸管抽采管路負(fù)壓口設(shè)置監(jiān)測(cè)面，對(duì)管路內(nèi)的抽采瓦斯進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)得到無懸管時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛葹?.00%左右，遠(yuǎn)高于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的1%瓦斯?jié)舛?，?huì)影響安全生產(chǎn)。

3.2 懸管埋深及負(fù)壓的優(yōu)化

由于上隅角瓦斯?jié)舛瘸?，因此需通過懸管抽采采空區(qū)瓦斯，并優(yōu)化抽放負(fù)壓、埋深等工藝參數(shù)，以提高懸管抽采瓦斯的抽采效率。

懸管直徑為0.4 m，該管路距離頂板0.5 m，距離巷幫0.5 m。懸管在回風(fēng)巷道內(nèi)的長度為15 m，設(shè)置管路負(fù)壓為8 kPa。對(duì)比懸管深入采空區(qū)0、1、2、3、4 m時(shí)的抽采效果，選出最優(yōu)埋深。在選出最佳埋深后再對(duì)比負(fù)壓為6、8、10 kPa時(shí)的瓦斯抽采效果。無懸管和優(yōu)化效果最好的懸管埋深3 m時(shí)，距離頂板0.5 m的瓦斯?jié)舛确植荚茍D如圖5所示。

圖5 不同埋深采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D

由圖5可知，采空區(qū)近回風(fēng)巷道附近瓦斯?jié)舛劝l(fā)生變化，在埋深3 m時(shí)，有效控制了上隅角瓦斯?jié)舛龋煽諈^(qū)中高濃度瓦斯區(qū)域瓦斯?jié)舛纫驳玫搅擞行У慕档?，使得上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.00%以下。抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛群蜕嫌缃潜O(jiān)測(cè)點(diǎn)處瓦斯?jié)舛热绫?所示。

表1 不同埋深上隅角及抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛?/p>

由表1可以看出，當(dāng)埋深為0 m時(shí)抽采管路內(nèi)的瓦斯?jié)舛鹊陀谏嫌缃峭咚節(jié)舛?，隨著埋深的增加，抽采管路內(nèi)的瓦斯?jié)舛炔粩嘣龃蠖嫌缃峭咚節(jié)舛瘸氏冉档秃筅呌诜€(wěn)定的趨勢(shì)。

當(dāng)埋深為0 m時(shí)，無論是抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛冗€是上隅角瓦斯?jié)舛鹊慕档托Ч患?，上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷?.10%左右，而抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛葎t在1.20%左右，抽采效果并不明顯。分析表明，抽采管路埋深過淺，該區(qū)域持續(xù)受到了漏風(fēng)作用的影響，大部分瓦斯被采空區(qū)漏風(fēng)帶走送入上隅角；而當(dāng)埋深達(dá)到 3 m 時(shí)，漏風(fēng)作用減弱，采空區(qū)近上隅角附近的高濃度瓦斯得到抽采，上隅角瓦斯?jié)舛冉档椭?.20%，瓦斯控制效果最佳。

對(duì)比分析負(fù)壓為8 kPa和10 kPa時(shí)工作面上隅角處瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，可知上隅角瓦斯?jié)舛入S著負(fù)壓的增加基本呈線性下降趨勢(shì)；當(dāng)負(fù)壓為6 kPa時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛燃s為1.40%；在負(fù)壓增加到8 kPa后上隅角瓦斯?jié)舛冉档椭?.20%；當(dāng)負(fù)壓為10 kPa時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛冉档椭?.10%左右。綜上可知，增加抽采負(fù)壓能有效控制上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

綜合分析表明，在埋深為3 m、負(fù)壓為10 kPa時(shí)，能將上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.10%，但仍高于《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的1%的上隅角瓦斯?jié)舛惹衣喊布瘓F(tuán)規(guī)定上隅角瓦斯?jié)舛瘸^0.80%時(shí)工作面會(huì)應(yīng)急斷電，因此需采用引流裝置，進(jìn)一步優(yōu)化上隅角懸管治理瓦斯超限。

4 引流裝置設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

將引流裝置外觀設(shè)計(jì)為傘狀，試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)其外觀參數(shù)同樣會(huì)影響引流效果，外觀參數(shù)主要涉及引流裝置的長度及開口角度。由于采空區(qū)上隅角空間有限，當(dāng)引流裝置外圈半徑超過0.5 m時(shí)不適合安裝，故將傘狀引流裝置的長度和開口角度分別設(shè)置為0.2 m、10°、20°、30°、40°，0.4 m、10°、20°、30°，0.6 m、10°、20°，在埋深為3 m、負(fù)壓為10 kPa條件下進(jìn)行模擬。傘狀引流裝置模型如圖6所示。

圖6 傘狀引流裝置模型圖

4.1 引流裝置對(duì)瓦斯分布的影響

通過模擬可以得出不同長度和開口角度條件下的上隅角附近瓦斯?jié)舛确植荚茍D。由于引流裝置不同長度和開口角度控制效果不同，在此給出一定長度下最佳開口角度管口附近瓦斯?jié)舛茸兓茍D，如圖7所示。

圖7 上隅角附近的瓦斯?jié)舛茸兓茍D

由圖7對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不使用引流裝置時(shí)，上隅角處5.00%瓦斯?jié)舛鹊姆秶^小，高濃度瓦斯逼近上隅角，瓦斯抽采效果不佳；使用引流裝置后，上隅角附近5.00%以下低濃度瓦斯區(qū)域明顯增大，當(dāng)引流裝置長度為0.4 m、開口角度為30°時(shí)，上隅角附近高濃度瓦斯區(qū)域減小最為明顯，低濃度瓦斯區(qū)域明顯擴(kuò)大，上隅角高濃度瓦斯區(qū)域被有效控制。當(dāng)引流裝置長度增加到0.6 m時(shí)，由于引流裝置較長，在相同負(fù)壓條件下其對(duì)上隅角瓦斯的控制效果不足，抽采效果有所減弱。

4.2 引流裝置對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊?/h3>

不同形狀引流裝置對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊懭绫?所示。

表2 不同形狀引流裝置對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊?/p>

由表2可知，在使用引流裝置后，上隅角瓦斯?jié)舛容^使用之前的1.10%有所下降。當(dāng)引流裝置長度為0.2 m時(shí)隨著開口角度的增大，上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u降低，在開口角度達(dá)到30°后上隅角瓦斯?jié)舛冉档椭?.83%左右，而繼續(xù)增加開口角度，控制效果沒有提升；當(dāng)引流裝置長度為0.4 m、開口角度為30°時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛冗_(dá)到最低值0.58%；當(dāng)引流裝置長度為0.6 m、開口角度為10°時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.75%，而開口角度為20°時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛冉档椭?.63%。數(shù)據(jù)表明，隨著引流裝置開口角度的增大，上隅角瓦斯?jié)舛冉档?，但?0°時(shí)達(dá)到極限。

5 適用于工程實(shí)際的引流裝置設(shè)計(jì)

通過在懸管口前端加裝引流裝置，人為擴(kuò)大懸管口面積，增大引流口與高濃度瓦斯接觸的范圍，從而提高懸管抽采時(shí)的瓦斯流量和濃度。但由于引流裝置位于上隅角處，距巷幫和頂板較近，傘狀引流裝置埋入采空區(qū)中施工難度較大且不易維護(hù)，因此設(shè)計(jì)半傘狀和1/4傘狀引流裝置以降低施工和維護(hù)難度。在傘狀、半傘狀、1/4傘狀引流裝置的長度相同、開口角度相同、管口面積相同條件下，以及相同負(fù)壓的情況下，加裝傘狀、半傘狀和1/4傘狀引流裝置后上隅角瓦斯?jié)舛确謩e為0.58%、1.10%和0.75%。加裝半傘狀引流裝置時(shí)上隅角瓦斯與不加裝引流裝置效果相差不大，這是由于半傘狀引流裝置不能與抽采管完全銜接并使其中存在部分紊流區(qū)域，以及抽采管內(nèi)氣體流速較小所致；加裝1/4傘狀引流裝置時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛扰c傘狀相差不大，效果較好。使用1/4傘狀引流裝置與不使用引流裝置對(duì)比可使上隅角瓦斯?jié)舛冉档?2%左右。1/4傘狀引流裝置模型如圖8所示。

圖8 1/4傘狀引流裝置模型圖

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)地點(diǎn)選在潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)N1206工作面，根據(jù)Fluent模擬結(jié)果，在抽采管路前端加裝引流裝置，根據(jù)模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采空區(qū)直徑為 1.0 m 左右的條件，設(shè)計(jì)引流裝置外觀為長0.4 m、開口30°的1/4傘狀，外圓半徑為0.86 m，內(nèi)圓半徑為 0.63 m。該裝置選用金屬骨架外包裹風(fēng)筒布材質(zhì)，應(yīng)用風(fēng)筒布材質(zhì)可避免被刮破。引流裝置實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 1/4傘狀引流裝置實(shí)物圖

從2019年11月17日試驗(yàn)至11月27日，選擇11月1日至11月16日上隅角和回風(fēng)中瓦斯?jié)舛鹊淖罡咧岛推骄底鲗?duì)比，瓦斯?jié)舛茸兓鐖D10 所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

由圖10可知，上隅角瓦斯?jié)舛茸罡咧?、平均?以及回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛鹊淖罡咧?、平均值均出現(xiàn)下降趨勢(shì)。上隅角瓦斯?jié)舛茸罡咧迪陆导s17%、平均值下降約13%，回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛茸罡咧岛推骄到捣?0%左右。上隅角瓦斯?jié)舛茸罡咧党^0.80%的次數(shù)大大減少，未使用引流裝置時(shí)在16 d中有4 d出現(xiàn)上隅角瓦斯?jié)舛茸罡咧党^0.80%的情況，而使用引流裝置后試驗(yàn)的11 d中只有1 d出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸^0.80%的情況。由于煤礦規(guī)定上隅角瓦斯?jié)舛瘸^0.80%后會(huì)發(fā)出應(yīng)急斷電指令，故引流裝置在很大程度上保證了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的連續(xù)性，提升了煤炭的產(chǎn)量。

7 結(jié)論

1)受采空區(qū)漏風(fēng)的影響，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛确植汲尸F(xiàn)工作面向采空區(qū)深部逐漸變大、進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)方向逐漸變大、低處向高處逐漸變大的趨勢(shì)。工作面上隅角處瓦斯容易積聚，模擬得到上隅角瓦斯?jié)舛燃s為4.00%。

2)通過對(duì)不同埋深和負(fù)壓的模擬可知，當(dāng)懸管埋深為3 m左右、抽采負(fù)壓為10 kPa時(shí)，懸管抽采效果最佳，可使上隅角瓦斯?jié)舛冉档偷?.10%左右。

3)傘狀引流裝置的長度及開口角度的研究結(jié)果表明，將引流裝置設(shè)計(jì)成長度為0.4 m、開口角度為30°的傘狀結(jié)構(gòu)，可使管口附近高濃度瓦斯區(qū)域最小，上隅角瓦斯?jié)舛冉档椭?.58%左右。為了便于應(yīng)用，設(shè)計(jì)出1/4傘狀引流裝置，其能使上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.75%，與傘狀引流裝置相差不大，并在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了較好效果。