馬蘭礦18303工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律及抽采技術(shù)研究

周湘龍

(山西焦煤西山煤電 馬蘭礦，山西 古交 030200)

1 工程概況

西山煤電馬蘭礦18303工作面位于南一下組煤下山采區(qū)，工作面傾斜長(zhǎng)度254 m，走向長(zhǎng)度為1 980 m，開(kāi)采8號(hào)煤層，煤層厚度為3.0～4.6 m，平均厚度為4.0 m，平均傾角為4°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬穩(wěn)定可采的厚煤層，工作面采用一次采全高采煤工藝進(jìn)行回采作業(yè)，全部垮落法管理頂板，工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，總配風(fēng)量為2 188 m3/min，工作面的相對(duì)瓦斯涌出量為1.94 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為22.5 m3/t，回采期間瓦斯涌出的來(lái)源主要為本煤層瓦斯涌出、鄰近層瓦斯涌出和采空區(qū)遺煤瓦斯涌出，現(xiàn)為有效治理工作面回采后采空區(qū)的瓦斯，特進(jìn)行采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律和抽采技術(shù)的研究。

2 采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律

馬蘭礦目前回采工作面的瓦斯治理主要采用風(fēng)排瓦斯+抽采相結(jié)合的模式，針對(duì)采空區(qū)的瓦斯治理主要采用高抽巷和埋管抽采的方式，為分析高抽巷和埋管抽采對(duì)采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律的影響，現(xiàn)采用Fluent數(shù)值模擬軟件進(jìn)行不同抽采參數(shù)下瓦斯運(yùn)移規(guī)律的分析，根據(jù)工作面地質(zhì)條件建立工作面長(zhǎng)度為290 m，走向長(zhǎng)度為20 m，將工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷兩條巷道簡(jiǎn)化為4.8 m×3.2 m的長(zhǎng)方形模型，將采空區(qū)擬合為梯臺(tái)模型[1-2]，設(shè)置垮落帶的高度為17.8 m，設(shè)置工作面進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)速為3 m/s，工作面風(fēng)流出口為自由出口。

1) 高抽巷對(duì)采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律的影響。在采空區(qū)無(wú)抽采時(shí)和在距頂板垂直高度C=30 m、距離回風(fēng)巷平距P=30 m的位置處，設(shè)置高抽巷時(shí)分別進(jìn)行采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律分析，模擬分析高抽巷抽采對(duì)采空區(qū)瓦斯?jié)舛群土鲌?chǎng)的影響。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果采空區(qū)瓦斯分布如圖1所示。

分析圖1可知，采用高抽巷進(jìn)行抽采后，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的低瓦斯?jié)舛葏^(qū)域范圍明顯增大，采空區(qū)頂板覆巖區(qū)域的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)較大幅度的降低；工作面上隅角區(qū)域在未進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)其瓦斯?jié)舛冗_(dá)到8%，而采用高抽巷進(jìn)行抽采后，上隅角瓦斯?jié)舛冉档椭?%左右，瓦斯治理效果顯著；另外根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，高抽巷對(duì)采空區(qū)裂隙帶的風(fēng)流具有一定的引導(dǎo)作用，致使采空區(qū)裂隙帶下部風(fēng)流速度比上部風(fēng)流速度大，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯在通風(fēng)和高抽巷負(fù)壓抽采下向外排出。

2) 埋管抽采對(duì)采空區(qū)瓦斯分布的影響。為研究工作面上隅角埋管抽采對(duì)采空區(qū)瓦斯分布的影響，埋管管路采用截面尺寸為0.5 m×0.5 m的正方形管路進(jìn)行模擬，將抽采管路布置在回風(fēng)巷距離頂板2.6 m的位置處，設(shè)置埋管的間距為10 m，并采用outflow命令進(jìn)行設(shè)置[3]，根據(jù)模擬結(jié)果得出，工作面未抽采和采用埋管抽采后的瓦斯分布云圖如圖2所示。

圖2 采空區(qū)無(wú)抽采和埋管抽采下瓦斯分布云圖

分析圖2可知，在回風(fēng)側(cè)采用埋管抽采的方式后，對(duì)工作面采空區(qū)垮落帶的瓦斯流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生較大的影響，其中影響最為顯著的區(qū)域?yàn)槁窆芨浇咚節(jié)舛群土鲌?chǎng)；采空區(qū)裂隙帶的卸壓瓦斯在風(fēng)流的作用下逐漸向回風(fēng)側(cè)運(yùn)移，進(jìn)而通過(guò)上隅角的埋管抽采實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)排出，降低工作面回風(fēng)側(cè)上隅角的瓦斯?jié)舛葹?%，將距離上隅角65 m位置處的瓦斯?jié)舛冉档椭?6%；通過(guò)上隅角埋管抽采，可實(shí)現(xiàn)采空區(qū)回風(fēng)側(cè)瓦斯的有效治理，保障工作面回采過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)上隅角瓦斯超限現(xiàn)象。

3 采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)

3.1 抽采方案

為有效設(shè)置高抽巷及上隅角埋管抽采的各項(xiàng)參數(shù)，基于上述采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模型，分別進(jìn)行高抽巷平距(與回風(fēng)巷)P和垂距(與煤層頂板)C合理數(shù)值的模擬分析，數(shù)值模擬方案共計(jì)設(shè)置五組，分別為：(P，C)=(30，20)、(30，30)、(30，40)、(10，30)、(20，30)，并具體分別分析高抽巷在該五種布置方式下瓦斯抽采濃度、抽采純量、工作面及上隅角濃度，數(shù)值模擬結(jié)果如表1所示。

表1 高抽巷不同布置參數(shù)下抽采情況

分析表1可知，當(dāng)高抽巷的平距P=10 m時(shí)，工作面及上隅角區(qū)域的瓦斯?jié)舛让黠@降低，且瓦斯?jié)舛冉档妥铒@著的區(qū)域?yàn)榛仫L(fēng)側(cè)，另外通過(guò)對(duì)比表中的數(shù)據(jù)能夠看出在高抽巷的垂距C=30 m時(shí)，此時(shí)相比而言瓦斯抽采濃度和抽采純量均相對(duì)較高；基于數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合18303工作面的特征可知，在進(jìn)行工作面抽采時(shí)，將高抽巷布置在與頂板30～40 m的位置，與回風(fēng)巷10～20 m的位置處，此時(shí)的抽采效果較佳，既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采空區(qū)裂隙帶內(nèi)瓦斯的抽采，同時(shí)也能夠有效控制工作面及上隅角的瓦斯?jié)舛取?/p>

同理，為設(shè)置工作面埋管抽采的合理間距，設(shè)置4組模擬模型進(jìn)行抽采效果的對(duì)比分析，分別設(shè)置埋管的間距為10 m、15 m、20 m、25 m，分析不同埋管間距下頂板高度回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，數(shù)值模擬結(jié)果如圖3。

圖3 頂板高度回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛惹€

分析圖3可知，在埋管間距為10 m時(shí)，回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛仍诰嚯x工作面-80～-180 m的范圍開(kāi)始出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，且在距離工作面-80～-50 m區(qū)域呈現(xiàn)出快速下降的趨勢(shì)，在該中埋管間距下，抽采半徑重合區(qū)域較多，抽采負(fù)壓作用無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而會(huì)致使抽采立管與風(fēng)流之間容易形成渦流影響抽采[4-5]；在抽采間距為20 m時(shí)，此時(shí)在埋管抽采作用下，回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛茸兓€基本與上述相同，但該種抽采方式下，回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛染鄬?duì)較低，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)180 m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛茸畲笾祪H為28%，工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹?.6%；隨著抽采間距的進(jìn)一步增大，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出較大程度的增大，已無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面上隅角瓦斯的目的；基于上述分析確定埋管抽采的合理間距為20 m。

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合工作面特征，設(shè)置18303工作面高抽巷內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)巷17 m，與煤層頂板的垂直距離為36 m，巷內(nèi)埋設(shè)3趟D800 mm的抽采管路，其中兩趟連接地面抽采泵站，一趟抽采用于外排，高抽巷布置形式如圖4所示。

圖4 高抽巷布置位置示意

在工作面回風(fēng)巷道上隅角位置處，沿巷幫在距離底板0.5 m的高度處鋪設(shè)一趟D400 mm的抽采管路，并每間隔20 m布置一趟三通，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，在工作面與最近三通之間的距離為10 m時(shí)，將瓦斯抽采器與三通連接，抽采管路頂板垂直插入煤層頂板0.3 m[6]，設(shè)置與回風(fēng)巷外幫的平距為0.2 m，每間隔20 m布置一個(gè)瓦斯抽采器，具體采空區(qū)埋管抽采方式如圖5。

3.2 效果分析

在18303工作面采用高抽巷和埋管抽采時(shí)，分別對(duì)其瓦斯抽采濃度和抽采流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在抽采方案實(shí)施后對(duì)上隅角區(qū)域的瓦斯進(jìn)行持續(xù)測(cè)試，高抽巷抽采效果及上隅角瓦斯?jié)舛惹€如圖6。

圖6 高抽巷抽采濃度及上隅角瓦斯?jié)舛惹€

分析圖6(a)可知，在工作面回采0～20 m時(shí)瓦斯抽采濃度基本為零，這是由于此時(shí)采空區(qū)頂板并未垮落，高抽巷與采空區(qū)之間未實(shí)現(xiàn)有效的貫通，在工作面推進(jìn)21 m后，此時(shí)高抽巷的抽采濃度便開(kāi)始逐漸增大，最大抽采濃度達(dá)到27.5%，最大抽采純量為24.38 m3/min；分析圖6(b)可知，抽采方案實(shí)施后，工作面推進(jìn)40 m后，此時(shí)高抽巷與埋管抽采均正常運(yùn)行，上隅角瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.8%左右，有效解決了上隅角瓦斯含量大的問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)18303工作面特征，通過(guò)數(shù)值模擬分析高抽巷與上隅角埋管抽采對(duì)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的影響，進(jìn)一步通過(guò)數(shù)值模擬確定高抽巷合理的布置位置及上隅角埋管的合理間距，結(jié)合工作面條件確定抽采方案，通過(guò)抽采監(jiān)測(cè)分析及瓦斯?jié)舛葴y(cè)試，抽采方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)采空區(qū)瓦斯的有效抽采，為工作面的安全回采提供了保障。