鎮(zhèn)城底礦采空區(qū)瓦斯涌出異常原因分析及防治措施

王志忠

（山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 太原 030053）

0 引言

綜合機(jī)械化開采方式由于開采強(qiáng)度大形成大面積的采空區(qū)，冒落的煤巖中涌出的瓦斯大量進(jìn)入到工作面，導(dǎo)致上隅角瓦斯超限時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約著煤礦安全高效生產(chǎn)。隨著工作面的推進(jìn)，在采空區(qū)內(nèi)部，氣體流動(dòng)表現(xiàn)為滲流形式，使得許多回采之后采空區(qū)涌入大量卸壓瓦斯氣體，高濃度瓦斯推進(jìn)過(guò)程中受到頂板周期垮落、工作面漏風(fēng)、大氣壓力等要素的影響，形成回風(fēng)隅角、工作面瓦斯涌出，造成安全隱患。為了解決瓦斯涌出問(wèn)題，此前較多學(xué)者進(jìn)行了一定的研究。本文以鎮(zhèn)城底礦22210 工作面為工程背景，對(duì)瓦斯異常涌出進(jìn)行防治研究，為礦井安全開采做出一定的貢獻(xiàn)[1]。

1 礦井概況

鎮(zhèn)城底礦位于西山煤田西北處，井田面積約16.63 km2，礦井東西走向6.6 km，南北走向3.6 km，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為190 萬(wàn)t。22210 綜采工作面回采中，共計(jì)出現(xiàn)瓦斯?jié)舛龋ㄍ咚節(jié)舛葹橥咚贵w積分?jǐn)?shù)，全文相同）超限報(bào)警94 次，最大報(bào)警值為2.51%，平均報(bào)警值1.19%，生產(chǎn)中回風(fēng)隅角瓦斯聚集高達(dá)4%以上。考慮到礦井為低瓦斯礦井，但由于煤層不均勻分布的特點(diǎn)，使得在采空區(qū)頂板垮落后，會(huì)存在大量高濃度瓦斯涌入回采工作面的情況，導(dǎo)致工作面局部瓦斯積聚，發(fā)生預(yù)警，所以充分把握采空區(qū)低瓦斯異常涌出規(guī)律，并對(duì)瓦斯防治非常關(guān)鍵。

2 數(shù)值模擬構(gòu)建

鎮(zhèn)城底礦采用FLUENT 數(shù)值模擬軟件對(duì)瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行一定的研究，考慮到采空區(qū)冒落矸石較多，推進(jìn)過(guò)程中，破碎煤巖體在上覆巖層壓力作用下，使之結(jié)構(gòu)不斷變形，在此過(guò)程中存在多個(gè)物理場(chǎng)的影響，主要影響的物理場(chǎng)為應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、濃度場(chǎng)等，所以數(shù)值模擬研究需要充分考慮耦合規(guī)律。本文采用COMSO 數(shù)值模擬軟件，其屬于一款大型數(shù)值仿真軟件，能夠解決多場(chǎng)耦合運(yùn)算，同時(shí)其建模過(guò)程較為簡(jiǎn)單，能夠通過(guò)軟件外接軟件進(jìn)行模型的設(shè)定及導(dǎo)入，降低科研工作者應(yīng)用門檻。

以22210 工作面為研究背景，對(duì)工作面和采空區(qū)進(jìn)行建模，在建模過(guò)程中考慮到4 號(hào)煤層的傾角較小，所以在進(jìn)行模擬的過(guò)程中，將其看成水平煤層，從而得到簡(jiǎn)化模型，建立采空區(qū)破碎煤巖體流固耦合模型，進(jìn)行破碎煤巖體多場(chǎng)分布規(guī)律分析。建立的模型為二維模型，其模型長(zhǎng)度和寬度分別為250 m、180 m，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到模型的計(jì)算效率，所以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行一定的粗化分，在完成模型網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，在模型的上端面施加垂直向下的均布荷載，荷載大小為上覆巖層地應(yīng)為14.2 MPa。對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，泊松比為0.42，破碎煤巖體的密度為1 340 g/m3，初始的孔隙壓力及孔隙率分別為2 MPa 和0.38，骨架黏聚力為5 MPa，完成模型建立后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，首先對(duì)采空區(qū)滲透率的分布規(guī)律進(jìn)行研究，模擬結(jié)果圖如1 所示。

由圖1 可以看出，模擬結(jié)果準(zhǔn)備整體呈現(xiàn)為O型，與采動(dòng)裂隙分布理論相對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了模擬的正確性?？梢钥闯觯诠ぷ髅鎰傞_始回采時(shí)，此時(shí)在頂板上覆巖層垮落堆積于采空區(qū)，采空區(qū)中部位置煤巖體裂隙、孔隙進(jìn)一步發(fā)育，空隙率及滲透率快速增大。持續(xù)進(jìn)行回采推進(jìn)，此時(shí)冒落煤巖體大量增大，上部垮落巖層進(jìn)一步充填破碎煤巖，此時(shí)滲透率降到最低，回采一段距離后，此時(shí)的中部區(qū)域煤巖體逐漸被壓實(shí)，滲透率達(dá)到模擬的最低值，在采空區(qū)其他區(qū)域與中部有著明顯的不同，在采空區(qū)其他區(qū)域由于煤壁的支撐使得仍保持一定的透氣性，整體分析來(lái)說(shuō)，其是較穩(wěn)定的裂隙發(fā)育區(qū)域，在此區(qū)域瓦斯能夠有效的流動(dòng)，降低瓦斯富集的趨勢(shì)。

圖1 采空區(qū)滲透率的分布規(guī)律圖

圖2 采空區(qū)立管群布置示意圖

對(duì)工作面不同風(fēng)速下采空區(qū)的氧氣濃度進(jìn)行模擬，工作面風(fēng)速設(shè)定為0.5 m/s、1.0 m/s 和2.0 m/s。氧氣在流過(guò)工作面時(shí)，此時(shí)一部分從進(jìn)風(fēng)隅角向采空區(qū)的內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，而另一部分氧氣則會(huì)從進(jìn)風(fēng)隅角向回風(fēng)隅角方向發(fā)生一定的運(yùn)移，同時(shí)不同的風(fēng)速直接影響到采空區(qū)氧氣濃度的分布。根據(jù)研究可知，采空區(qū)內(nèi)外的氣體濃度差會(huì)使得氧氣從進(jìn)風(fēng)隅角處向著采空區(qū)深部進(jìn)行一定的擴(kuò)展，而在風(fēng)速較小時(shí)雖然氧同樣可以擴(kuò)散至采空區(qū)，但運(yùn)移擴(kuò)散效果受到一定的限制，由于風(fēng)速小，所以氧氣不能擴(kuò)散至深部，而當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，此時(shí)的氧氣擴(kuò)散至采空區(qū)深部，同時(shí)擴(kuò)散范圍增大，風(fēng)速越大現(xiàn)象越明顯[2]。

對(duì)工作面不同風(fēng)速下采空區(qū)的瓦斯?jié)舛确植记闆r進(jìn)行模擬，工作面風(fēng)速同樣設(shè)定為0.5 m/s、1.0 m/s和2.0 m/s。在不同風(fēng)速下，此時(shí)采空區(qū)內(nèi)部在距離工作面較近時(shí)呈現(xiàn)出的瓦斯?jié)舛容^低，隨著往采空區(qū)內(nèi)部推移，瓦斯?jié)舛劝l(fā)生增大的趨勢(shì)，這是由于在進(jìn)行通風(fēng)過(guò)程中，部分通風(fēng)量會(huì)對(duì)工作面的瓦斯進(jìn)行沖釋，使之瓦斯?jié)舛冉档停瑫r(shí)在風(fēng)流入口位置的瓦斯?jié)舛茸畹?。而隨著風(fēng)流的持續(xù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)部分風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)側(cè)漏入采空區(qū)中，風(fēng)流作用下，瓦斯在破碎煤體不斷擴(kuò)散，部分瓦斯向采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的深部進(jìn)行遷移，而另一部分瓦斯則從回風(fēng)巷道排出，所以最終導(dǎo)致靠近回風(fēng)巷以及上隅角的位置瓦斯較高的原因。

通過(guò)以上分析可以看出，風(fēng)速較小時(shí)，此時(shí)的采空區(qū)內(nèi)部瓦斯?jié)舛绕?。而增大風(fēng)速，此時(shí)部分瓦斯被吹至采空區(qū)深處，形成內(nèi)部瓦斯?jié)舛确e聚。雖然加大風(fēng)速能夠?qū)⒉糠滞咚跪?qū)散，但漏風(fēng)量易把采空區(qū)的瓦斯帶至工作面，導(dǎo)致上隅角瓦斯?jié)舛绕撸詥渭円揽匡L(fēng)流作用不足以降低工作面上隅角瓦斯聚集問(wèn)題，加以相關(guān)治理手段[3]。

3 瓦斯防治技術(shù)研究

在風(fēng)速2 m/s 下，配合立埋管群的方法進(jìn)行瓦斯治理，此前工作面抽采采用ZWY270/355 型移動(dòng)瓦斯抽采泵站，抽氣量最大值為270 m3/min，采用立埋管群進(jìn)行高負(fù)壓式抽采，

為了避免管路埋入后與矸石發(fā)生碰撞形成火星，所以管路材質(zhì)使用PE 管，PE 管的內(nèi)徑選擇300 mm的PE 管路，根據(jù)進(jìn)口風(fēng)速流速設(shè)定單個(gè)預(yù)埋立管的篩孔數(shù)為140 個(gè)，取抽采器的高度設(shè)定距離底板2.2 m，采空區(qū)立管群布置示意圖如2 所示。

在進(jìn)行采空區(qū)立埋管群措施后，對(duì)瓦斯抽采濃度進(jìn)行檢測(cè)，抽采60 d 后，抽采的瓦斯?jié)舛仍龃罅?0%，抽采期間對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛热鐖D3 所示。

圖3 抽采期間對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛惹€

由圖3 可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，在立管前端埋入采空區(qū)后，此時(shí)立管深入采空區(qū)10 m 開始抽采，隨著推進(jìn)距離的不斷增加，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)大幅下降趨勢(shì)，能夠滿足規(guī)定的1%界限值，所以立埋管群措施能夠解決工作面上隅角瓦斯積聚、超限的問(wèn)題，治理方案有效。

4 結(jié)論

1）隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，冒落煤巖體在上部巖層垮落下進(jìn)一步充填破碎煤巖，煤巖體逐漸被壓實(shí)，滲透率達(dá)到最低值，瓦斯產(chǎn)生一定的聚集。

2）風(fēng)速較小時(shí)，此時(shí)的采空區(qū)內(nèi)部瓦斯?jié)舛绕摺６龃箫L(fēng)速，此時(shí)部分瓦斯被吹至采空區(qū)深處，形成內(nèi)部瓦斯?jié)舛确e聚。

3）在合理風(fēng)速2 m/s 下，配合立埋管群的方法進(jìn)行瓦斯治理，隨著推進(jìn)距離的不斷增加，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)大幅下降趨勢(shì)，有效解決了工作面上隅角瓦斯積聚、超限的問(wèn)題。