高瓦斯礦井采空區拖管抽采技術研究與應用

2019-08-29 11:16:22樊曉飛

山西焦煤科技 2019年6期

樊曉飛

(山西晉城煤業集團勘察設計院有限公司，山西晉城 048006)

隨著煤礦開采技術水平的提升，礦井產能也相應逐年增加，傳統的U型通風方式的弊端也愈發明顯。其中，上隅角瓦斯積聚導致瓦斯濃度的增加已成為制約礦井安全生產的核心因素，而目前國內常用的治理上隅角瓦斯的方法有：埋管抽采、高位鉆孔抽采以及在裂隙帶內布置高抽巷等[1].由于埋管抽采存在浪費抽采管路、不能改變抽采步距和安全投入較多等弊端，因此有必要對傳統的抽采方法及工藝進行改進。新型的拖管抽采技術[2-5]既能夠節省抽采管路材料，又可以根據抽采情況對應地調整抽采步距，且工程量相對較小。

1 3206綜放面采空區瓦斯分布及抽采技術

1.1 采空區三區域劃分

根據采空區內氣體流場及瓦斯濃度分布規律，可將采空區大致劃分為：涌出區(0～25 m)、紊流區(25～75 m)和滯留區(75 m以后)3個區域。煤層賦存條件以及頂底板差異性等因素均會導致3個區域劃分存在一定的差異性。根據現場實際結果，某煤礦3206綜放面3個區域瓦斯濃度及涌出量情況見圖1. 由圖1可知，3206綜放面采空區涌出區內瓦斯涌出量較大，且隨著新鮮風流涌向上隅角，導致上隅角位置瓦斯濃度激增。另外，工作面風流量的大小決定了攜帶采空區瓦斯量的能力，供風量越大，攜帶走的采空區瓦斯量越大，反之越小。紊流區內的瓦斯是在大氣壓力和采空區瓦斯壓力共同作用下在采空區內的不穩定停留，隨著大氣壓力的變化，紊流區也可能會有瓦斯涌出危險[6]. 如果不破壞采空區的封閉條件，滯留區內的瓦斯將永遠滯留在采空區內。

圖1 3206綜放面采空區三區劃分圖

1.2 托管抽采技術

根據對采空區三區劃分情況可知，控制采空區內涌出區的瓦斯涌出量是解決上隅角瓦斯的關鍵因素。上隅角拖管抽采技術的主要工作原理是在涌出區內形成一個負壓區，利用負壓抽采積聚在上隅角的瓦斯，同時攔截控制采空區深部的瓦斯涌出。隨著工作面的推進，三區域跟著工作面同步前移，拖動裝置可以保障連續抽采點形成的負壓區始終穩定于涌出區，不會因工作面的推進前移而滯后于紊流區或滯留區內，見圖2.

圖2 拖管抽采系統工作示意圖

拖管抽采裝置操作簡單，抽采支管可以跟隨拖動裝置同步前行，節約了抽采支管的材料，在控制抽采成本的同時對上隅角瓦斯起到了較好的治理效果。

2 采空區瓦斯濃度理論模型與工業性試驗

2.1 采空區內涌出區瓦斯模型建立

根據采空區瓦斯的三區劃分，從質量守恒連續性方程的角度考慮，運用菲克第一定律和達西定律進行相互轉化，推導出按摩爾濃度表示采空區內涌出區混溶滲流擴散方程為[7-8]：

(1)

式中：

cg—采空區瓦斯的摩爾濃度，mol/m3；

v—采空區風流速度，m/s；

t—時間變量，s；

DgA—瓦斯組分的擴散系數張量，m2/s；

c—混合氣體的摩爾濃度，mol/m3；

n—煤體的孔隙度；

Wg—瓦斯單位時間單位體積的摩爾生成量。

公式(1)可以根據下列條件求解：

新風邊界上：

cg=0

(2)

cg|t=0=0

(3)

圖3 涌出區瓦斯運移的計算模型圖

根據圖3涌出區瓦斯運移的計算模型，可以推導出瓦斯源理論表達式為[9]：

(4)

wg=H·Wg

(5)

式中：

wg—采空區內瓦斯在單位面積單位時間內涌出強度，mol/(m2·s)；

w0—采空區瓦斯涌出強度，mol/(m2·s)；

w1—紊流區和滯留區的初始涌出強度，mol/(m2·s)；

x—抽采管路端口距離工作面位置；

v1—工作面每天推進度，m/d；

λ1—紊流區和滯留區的衰減率，1/d；

H—隨冒落帶變化瓦斯的流場高度值，m.

公式(1)方程是非線性的，應與公式(4)聯立求解，先通過求解采空區模型的速度場，再求采空區抽采前后內瓦斯濃度場變化。其中，采空區內瓦斯濃度場分布情況需結合時間變量多次代入求解得到。某煤礦3206綜放面的工作面長度為210 m，采高為5.62 m，日進尺為3.6 m.工作面配風量為1 200 m3/min，采空區瓦斯涌出強度為3.78 mol/(m2·s)，紊流區和滯留區的衰減率為0.078. 假設采空區內瓦斯涌出均勻，可聯合公式(1)和(4)計算求出涌出區內的瓦斯涌出量為5.18 m3/min，瓦斯濃度能夠達到50%～90%. 瓦斯抽采量根據現場實際情況統計為3.25 m3/min.

2.2 現場工業性試驗

由于某煤礦3206綜采工作面上隅角瓦斯較大，所以選用了埋管抽采方法，但是上隅角瓦斯濃度依然沒有下降。采用拖管抽采進行現場工業性試驗，抽采管路利用原有的抽采支管，在抽采支管末端安設分路器，拖管連接分路器，拖管管徑為DN150 mm，見圖4.

圖4 3206綜采工作面拖管抽采布置示意圖

抽采管路連入地面瓦斯抽采系統，最低抽采負壓為5 kPa. 上隅角內側1 m位置，距頂板0.5 m，距回風巷外邦為0.3 m安裝瓦斯監控探頭，同時進行人工取樣定時監測，隨著工作面的推進，分別考察拖管距頂板不同高度、距回風巷側幫不同距離、距上隅角不同深度時，上隅角瓦斯濃度的變化情況，實際測試結果為分散點，進行數據擬合，結果見圖5，6，7.

圖5 距頂板不同高度時上隅角瓦斯濃度擬合曲線圖

圖6 距外幫不同距離時上隅角瓦斯濃度擬合曲線圖

圖7 距上隅角不同深度時上隅角瓦斯濃度擬合曲線圖

從圖5可以看出，抽采管路距頂板的距離和上隅角瓦斯濃度存在指數關系：y=3.88e-1.09x，即抽采管路距離頂板越近抽采效果越好。由圖6可知，拖管距回風巷外側巷幫的距離與上隅角瓦斯濃度存在二次曲線關系：y=-3.80x2+4.22x+1.73，可以得出距巷幫0.6 m左右是這個工作面的瓦斯涌出通道。由圖7可知，拖管進入采空區的長度和上隅角瓦斯濃度存在二次曲線關系：y=-0.02x2+0.49x-1.24，可以得出埋管深度在15 m左右抽采效果最好。

現場測試結果顯示，拖管距離巷道頂板0.2 m，距離回風巷外幫0.6 m，進入采空區深度為15 m左右時，抽采效果最好。

3 Fluent數值模擬驗證

根據某煤礦3206綜放面的具體地質條件和開采情況，結合現場采用拖管抽采新技術進行工業性試驗確定的最優參數值，建立數值模型穩態求解，計算出采空區涌出區內瓦斯抽采前后的流態和瓦斯濃度分布情況分別見圖8，9.

圖8 抽采前采空區流態及瓦斯分布圖

圖9 抽采時采空區留態及瓦斯分布圖

圖8是在封閉的無邊界漏風的條件下，左圖為采空區內涌出區流場分布狀態，右圖為采空區內涌出區的瓦斯濃度分布狀態，采空區瓦斯大部分集中在涌出區內，涌出區內最高瓦斯濃度達到95%，在風流影響下，集中到3206工作面的上隅角處，這對上隅角實施拖管抽采提供了理論依據。從圖9可以看出，經過抽采后，抽采口距離上隅角15 m位置瓦斯濃度達到50%以上，抽采純量達到3.25 m3/min，而且3026工作面上隅角瓦斯濃度降低，起到抽采上隅角瓦斯同時攔截瓦斯的作用，這與現場工業性試驗結果吻合性較好。

4 工程應用

3206綜采工作面采空區瓦斯涌出較大，采用了高位鉆孔和埋管抽采相結合的方法未能解決上隅角瓦斯超限問題，根據上述理論分析、現場工業性試驗和數值模擬驗證，最終確定了拖管抽采的最優參數。3月25日—7月28日，采空區瓦斯抽采濃度達到2.8%～3.9%，瓦斯抽采純量達到0.21～0.35 m3/min. 在這這段時間內，3206綜采工作面上隅角瓦斯最大不超過0.5%，保證了3206綜采工作面的安全生產，同時節約了抽采管路，取得了一定的經濟效益。