采空區(qū)瓦斯埋管抽采技術應用與分析

李思陽

（潞安集團漳村煤礦，山西 長治 046032）

0 引言

隨著采煤工作面推進，后方頂板垮落而且形成一定范圍采空區(qū)，工作面風流通過采空區(qū)后，在自然壓力差作用下，從上隅角進入回風流，采空區(qū)內積聚的瓦斯進入回風流和上隅角，當采空區(qū)頂板初次來壓或者周期性來壓時，會造成瓦斯突然涌出，威脅作業(yè)人員安全[1]。

1 工程概況

某礦生產(chǎn)規(guī)模150萬t/a，批準開采平均厚度2.1m、容重1.3t/m3且賦存穩(wěn)定的8#煤。依據(jù)測定得出的瓦斯涌出量報告，該礦絕對瓦斯涌出量56.3m3/min，相對瓦斯涌出量20.2m3/t，屬于高瓦斯礦井。8208工作面選用機械化走向長壁采煤工藝，工作面傾向長度180m，垮落法管理采空區(qū)頂板，U型獨立通風方式，該工作面原煤瓦斯最大含量為6.1m3/t。

分析該工作面的瓦斯涌出情況可知，影響瓦斯涌出的因素主要包括回采工藝、原煤瓦斯含量、工作面回采速度、礦山壓力、工作面配風量等。

1）煤層瓦斯含量：煤層中瓦斯含量是指煤體內處于吸附和游離兩種狀態(tài)的瓦斯總和，測定8208工作面的最大瓦斯含量為6.1m3/t。

2）生產(chǎn)工序：當其他條件相同時，不同采煤作業(yè)工序對應的瓦斯涌出特征存在差異。現(xiàn)場統(tǒng)計，8208工作面生產(chǎn)班現(xiàn)場實測的最高瓦斯?jié)舛燃s為檢修班該值的1.1倍。

3）周期來壓：伴隨著回采工作面的不斷向前推進，上覆巖層垮落，煤體內產(chǎn)生大量裂隙，鄰近煤層及圍巖內的瓦斯在風流作用下不斷涌入工作面，從而增大了回風順槽風流中的瓦斯含量。常規(guī)開采階段，瓦斯涌出量隨著工作面頂板周期來壓呈現(xiàn)周期性增加現(xiàn)象[2]。

4）工作面配風量：8208工作面采用“U”型通風，隨著工作面配風量不斷增加，運輸與回風順槽兩端之間的風力壓差不斷增大，采空區(qū)漏風量增加，采空區(qū)遺煤瓦斯及鄰近煤層卸壓瓦斯進入回風順槽，瓦斯涌出量增加。

在8208工作面的采空區(qū)采用插管抽放，在回風順槽布置一根Φ377mm的螺旋焊縫鋼管負壓抽采采空區(qū)瓦斯，距正在回采工作面30m左右通過拄制閥連接風筒。但實際抽采出采空區(qū)瓦斯的濃度最小2.5%,最大5.8%、平均僅為4.5%,分析主要原因是由于回采過程中存在丟底煤情況，當采空區(qū)遺煤量較大時、采空區(qū)瓦斯涌出量較大，導致風筒瓦斯?jié)舛壬撸欢腔夭蛇^程中老頂巖梁周期性破斷、垮落導致臨近層瓦斯涌出至采空區(qū)，致使風筒內瓦斯?jié)舛瘸省安ɡ恕毙畏植肌?/p>

2 采空區(qū)瓦斯埋管抽采技術分析

針對8208工作面瓦斯含量高，預抽效果差，且采空區(qū)遺煤較多，導致工作面回風流和上隅角瓦斯?jié)舛纫壮薜那闆r，現(xiàn)有抽采工藝不能滿足實際要求，因此，提出了采空區(qū)埋管法抽采瓦斯，采空區(qū)瓦斯埋管抽采工藝如圖1所示。

圖1 采空區(qū)瓦斯埋管抽采工藝

1）在回風順槽布置一根Φ377mm的低負壓支管，并在靠近工作面處支管上安裝變徑將Φ377mm變?yōu)橐惶甩?73mm的鋼絲骨架膠管管路，加設木垛或其他支護方式對埋設的瓦斯抽采管路加以保護，距離底板不低于0.5m[2]。在瓦斯管末端安裝鐵砂網(wǎng)，防止煤渣掉入瓦斯抽采管路[3]。

2）瓦斯管路每隔9m加設三通和閥門，每隔18m加設蝶閥(可根據(jù)具體單根瓦斯管路長度調整三通和蝶閥間距)，連接瓦斯抽放軟管（4寸以上）并在上隅角密閉前進行插管抽放，以控制密閉前瓦斯。

3）當工作面推進至三通位置時，拆除密閉前的抽放軟管，改由下一個三通連接軟管進行密閉前插管抽放，同時打開己拆除軟管的三通，拆除閥門，加設鐵砂網(wǎng)進行敞開式抽放或安裝花管抽放[4]。若加設花管時，三通可豎直安設，不加花管時三通安設時盡量不要垂直向上，應向采面方向傾斜一定角度。當工作面推進至蝶閥位置時，關閉蝶閥，以防瓦斯管路深入采空區(qū)內部引發(fā)煤層自燃。

4）預埋管路應做到防水、防渣堵塞、防爆和防砸，木垛支護應盡可能密集，同時可保留管路附近的密閉墻，采用敞開式抽放時管口用鐵砂網(wǎng)保護。抽采管路上應設置孔板，以便觀測所抽采瓦斯的流量、負壓及濃度。要求管口負壓不低于5kPa，且隨時注意回采工作面推進過程中瓦斯管路及上隅角的瓦斯?jié)舛龋鶕?jù)濃度變化及時調節(jié)抽采負壓。同時需要隨時監(jiān)控管路內及采空區(qū)CO的濃度，發(fā)現(xiàn)異常時應采取相應的防滅火措施。

3 采空區(qū)瓦斯埋管抽采數(shù)值模擬分析

FLUENT軟件是CFD常用軟件之一，具有多重算法、多重精準網(wǎng)格、模型類型多等優(yōu)點，目前多應用在復雜流體流動和熱傳導等方面。求解FLUENT的基木程序有前處理、選擇物理模型、選擇計算模型、求解和后處理等組成。以8208工作面為研究背景建立數(shù)值模型，其中X軸為采空區(qū)，Y軸是工作面切眼，出口及入口的長寬分別為5m,35m。將后方采空區(qū)作為多孔介質滲流區(qū)，回采工作面作為氣體自由流態(tài)區(qū)[5]，模型示意圖如圖2所示，模擬條件參數(shù)見表1。

圖2 數(shù)值模型示意圖

表1 數(shù)值模擬參數(shù)

依據(jù)采空區(qū)流場的不同特性對采空區(qū)流場進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為2×2，工作面自由流態(tài)網(wǎng)格劃分網(wǎng)格為0.5×0.5。模擬得到采空區(qū)后方10m處埋管抽采瓦斯的采空區(qū)壓力等值線和濃度分布如圖3所示，采空區(qū)后方20m處埋管抽采瓦斯的采空區(qū)壓力等值線和濃度分布如圖4所示。

圖3 采空區(qū)后側10m處埋管抽采采空區(qū)壓力等值線和瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖4 采空區(qū)后側20m處埋管抽采采空區(qū)壓力等值線和瓦斯?jié)舛确植?/p>

分析模擬結果圖3，可以得出埋管抽放中瓦斯?jié)舛燃傲髁侩S工作面不斷向前推進不斷增加，8208工作面埋管深度應該位十采空區(qū)后方10m。分析模擬結果圖4，可以得出當采空區(qū)埋管深度20m時，瓦斯抽采效果最佳，抽采濃度和流量最大。因此，在采空區(qū)10m～20m范圍布置抽采管口時上隅角的瓦斯?jié)舛容^小。

4 結語

埋管法對抽放采空區(qū)上隅角瓦斯具有獨特作用，針對8208工作面煤層瓦斯含量高，預抽效果差，且采空區(qū)遺煤多，導致回風流和上隅角瓦斯?jié)舛纫壮蓿F(xiàn)有抽采工藝不能滿足要求的現(xiàn)狀，采用了采空區(qū)埋管抽采瓦斯的方法。通過數(shù)值模擬得出，采空區(qū)埋管深度20m時，瓦斯抽采效果最佳，抽采濃度和流量最大。但是由于距離上隅角的位置較遠，對該位置的瓦斯治理效果較差。在采空區(qū)10m和20m處布置抽采管口，上隅角瓦斯較小，因此8208工作面埋管深度應為工作面后方10～20m。