采煤工作面上隅角瓦斯治理技術(shù)

文/孫緒志 王汝

江蘇宏安集團(tuán)莆河煤礦為高瓦斯礦井，同時(shí)采用炮采落煤、全部垮落法處理采空區(qū)，造成上隅角和工作面瓦斯?jié)舛葒?yán)重超限，影響礦井的正常安全生產(chǎn)。

一、上隅角瓦斯積聚原因

煤礦采煤工作面多采用“U”型通風(fēng)方式，上隅角容易積聚瓦斯是其存在的主要問(wèn)題。由于瓦斯相對(duì)密度是0.554，比空氣密度小，常積聚在巷道的上部及高頂處，這種現(xiàn)象叫上隅角瓦斯積聚。而進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)攜帶瓦斯從上隅角流出，與主風(fēng)流匯合時(shí)形成漩渦區(qū)，不能及時(shí)被主風(fēng)流帶走，造成瓦斯積聚超限。

二、埋管抽放采空區(qū)瓦斯基本原理

研究表明，當(dāng)采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，必須進(jìn)行瓦斯治理。在上述的上隅角瓦斯治理方法中，埋管抽放采空區(qū)瓦斯從而防止和降低上隅角瓦斯積聚的方法，是一種有效的防治技術(shù)，抽放效果最好，在工藝中已形成較為完整的一套技術(shù)方法，便于從根本上解決上隅角瓦斯積聚問(wèn)題。

一般認(rèn)為，煤層回采后，在其頂板形成三個(gè)受采動(dòng)影響的地帶：冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，在其底板則形成卸壓帶。在壓差作用下，大量由鄰近層(QL)、本煤層涌出的瓦斯流向采空區(qū)(QB)，由于回采有部分瓦斯留在采空區(qū)，碎煤也有部分瓦斯散出(量相對(duì)較少)(QF)，采空區(qū)內(nèi)瓦斯總量：QZ=QL+QB+QF。通過(guò)機(jī)械方式使采空區(qū)與之相通的管道(巷道)產(chǎn)生壓差，使大量的高濃度采空區(qū)瓦斯被抽放出，減少和避免采空區(qū)瓦斯沿漏風(fēng)風(fēng)流涌向工作面，達(dá)到工作面上隅角瓦斯不積聚和不超限（如圖1所示）。

三、上隅角瓦斯治理

為了解決莆河煤礦瓦斯抽放中遇到的問(wèn)題，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行解決。依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)的數(shù)據(jù)，采用GAMBIT建立計(jì)算模型，用FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，研究采空區(qū)沿工作面走向、傾向和豎向三個(gè)不同方向上的瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律，進(jìn)而對(duì)埋管抽放采空區(qū)上隅角瓦斯提供依據(jù)，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法確定瓦斯抽放距離、抽放位置和抽放量的問(wèn)題。

1.首先在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，以莆河煤礦回采面采空區(qū)瓦斯為研究對(duì)象，對(duì)采空區(qū)瓦斯來(lái)源、各個(gè)部分瓦斯含量及其影響因素進(jìn)行分析，并研究不同的回采速度對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出的影響。

2.基本假設(shè)。

(1)炮采面采空區(qū)多為多空介質(zhì)，在多空介質(zhì)中瓦斯被視為理想氣體，其滲流過(guò)程按等溫過(guò)程處理。

(2)瓦斯在煤、巖層中的流動(dòng)符合達(dá)西定律，吸附瓦斯符合朗格繆爾方程，瓦斯在空隙結(jié)構(gòu)微孔中的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)符合菲克定律。

3.幾何模型的建立。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和數(shù)值模擬的需要，將莆河煤礦采空區(qū)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化后的模型及其尺寸如下：

(1)工作面、進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、采空區(qū)均視為規(guī)則的幾何圖形，不考慮設(shè)備的情況。

(2)為區(qū)別采空區(qū)不同的孔隙率，將其劃分為裂隙帶1、裂隙帶2，冒落帶1、冒落帶2、冒落帶3。

(3)采空區(qū)走向長(zhǎng)度取142m，傾斜長(zhǎng)度取82m（包括進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷寬度）；垂直高度取2.2m，其中走向長(zhǎng)度分為三段，分別為8m、40m、94m；垂直高度分為兩段，為0.6m和1.6m。

(4)采空區(qū)孔隙率和粘性系數(shù)按照礦井鑒定材料選取。

幾何模型的主視圖和俯視圖如圖2和圖3所示。

4.按照以上的參數(shù)及邊界條件對(duì)U型通風(fēng)方式進(jìn)行數(shù)值模擬，入口風(fēng)速取1.6m進(jìn)行數(shù)值模擬，得出在采空區(qū)距工作面深2.3m、距底板垂高1.5m、距采空區(qū)煤壁1.7m處進(jìn)行抽放最為有效；抽放負(fù)壓為27.79KPa、抽放量為58m3/min時(shí)抽放效果最好。

四、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

依據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)上隅角瓦斯進(jìn)行抽放，雖然有效降低了上隅角和回風(fēng)巷風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，但是仍然沒(méi)有降低到1%以下。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析原因，可能為上隅角采用麻袋裝滿(mǎn)矸石封堵效果不好；抽放泵抽放能力有限，研究決定采用以下兩個(gè)方法來(lái)解決問(wèn)題。

1. 提高抽放過(guò)程的氣密性，減少漏風(fēng)，提高抽放效果。在上隅角敷設(shè)瓦斯抽放管路與礦井瓦斯抽放系統(tǒng)連接；在上隅角切頂線(xiàn)處采用輕質(zhì)材料砌筑可移動(dòng)臨時(shí)墻。工作面上出口段的瓦斯抽放管路采用長(zhǎng)3m、直徑219mm的聚乙烯管，后接直徑219mm鋼絲軟膠管，鋼絲軟管上接好變節(jié)，與聚乙烯管連接。將長(zhǎng)3m的聚乙烯管伸入上隅角切頂線(xiàn)以?xún)?nèi)2.3m左右，吸入口用鋼紗網(wǎng)包好，防止破碎頂板堵塞吸入口，吸入口按照數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行安放。可移動(dòng)臨時(shí)墻主要采用內(nèi)裝碎煤的魚(yú)鱗編織袋壘砌，頂部用雙抗網(wǎng)堵嚴(yán)，以提高抽放瓦斯的濃度及減少上隅角瓦斯積聚的空間。工作面每推進(jìn)一個(gè)循環(huán)拉出一次鋼絲軟膠管，并進(jìn)行固定封堵，采面每推進(jìn)2m拆一次抽放的聚乙烯管。回采工作面上隅角回料時(shí)，正常進(jìn)行抽放，同時(shí)進(jìn)行拆墻、砌墻工作，而隨著上隅角往外回料，抽放管往外回出一部分，始終保持抽放管在上隅角墻內(nèi)2.3m，確保抽放效果。

2. 增強(qiáng)瓦斯抽放泵的抽放能力?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際上隅角瓦斯抽放采用兩臺(tái)2BEA-253型抽放泵。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，即使瓦斯抽放泵達(dá)到其最高抽放能力，上隅角瓦斯?jié)舛纫廊徊荒苓_(dá)到規(guī)定要求以下。由此可見(jiàn)更換抽放能力更強(qiáng)的瓦斯抽放泵十分必要。根據(jù)計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，選擇2BEA -303型抽放泵，配備電機(jī)功率為90 KW，可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要。

在采用了新的抽放泵和上隅角封堵方法后，上隅角瓦斯?jié)舛让黠@降低并達(dá)到0.65%以下，抽放效果達(dá)到了預(yù)期的目的。

五、結(jié)論

1. 結(jié)合莆河煤礦具體情況，由于上隅角瓦斯?jié)舛冗^(guò)高，必須采用高效率的瓦斯抽放系統(tǒng)。

2. 通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬研究不同的抽放距離、抽放量和抽放位置對(duì)采空區(qū)和上隅角瓦斯的影響，選取合理抽放參數(shù)，從而提高抽放效率。

3. 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果提出抽放方案應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況提出改進(jìn)方案，有效提高了瓦斯抽放率并將上隅角的瓦斯?jié)舛冉档揭?guī)定濃度以下。