2111采空區瓦斯運移規律探究與防治

張鵬飛

（霍州煤電集團晉北煤業有限公司通風科，山西 霍州 035100）

1 工程背景

近年來，綜合機械化放頂采煤法普遍應用于各個煤礦，在神華、充州、潞安、晉城、陽泉等集團都獲得了推廣與應用，煤礦的產量、采煤效率都獲得了迅猛提升，大大減少了煤礦的經濟支出，但這種方法冒落高度大，采空區經常會遺落煤塊，上隅角瓦斯積聚以及回風巷的瓦斯濃度都會上升，給工作面回采埋下了安全隱患，煤炭自然發火危險性也會隨之增大，極易造成瓦斯爆炸，而瓦斯爆炸[1]會生成沖擊波，往往會造成不可逆的人員傷亡以及巨大經濟損失，而且爆炸會產生大量有毒氣體，造成二次危害，瓦斯濃度超標仍然是事故產生的根本原因，而要對其進行治理，普通的抽采方式往往治標不治本，因此本文重點研究采空區瓦斯運移規律，可以為后續的抽采方式提供有效的依據，已知2111工作面運輸順槽進風，回風順槽回風，整體上為U型通風，在回采時工作面瓦斯檢測儀器經常出現超限問題，檢測顯示上隅角瓦斯濃度達到13.1%，礦方理想方案為Y型通風方式以及瓦斯抽采，但為了確定瓦斯抽采的地帶，必須掌握2111工作面后方采空區瓦斯運移規律，并為后續的針對性治理提供依據。

2 瓦斯運移特征分析

2.1 模型建立

礦方為了對2111工作面的瓦斯運移規律以及上隅角瓦斯積聚濃度進行合理性的探究，經過分析后決定采用FLUENT軟件，工作面在回采后自然垮落形成采空區，由于自然垮落沒有規律性，采空區不可避免的生成間隙，另外采空區內氣體受到外界干擾小，可以近似為穩定流動，模型設置采用壓入式U型通風，模型俯視圖由左至右分別設置為采空區、自然堆積區、載荷影響區、壓實穩定區，其中上部為回風巷、下部為進風巷，工作面長度為208m，進回風巷寬度為3m，模型高度為38m，自然堆積區長×寬=208m×20m，載荷影響區長×寬=208m×100m，壓實穩定區=長×寬=208m×240m，其中模型主視圖上部為采動斷裂帶，下部為垮落帶，邊界條件的設定主要考慮進口風速和出口壓力，數據以現場實測數據為主，進口風速取2m/s，多孔介質流動選擇PRESTO格式（壓強）。模擬主視圖及俯視圖見圖1，

圖1 U型通風數值模型圖

2.2 模擬結果分析

為了對模擬結果有更直觀的標識，在建立模型的同時建立了坐標系，坐標原點設置在回風巷與工作面交界處，即上隅角瓦斯積聚處，X軸正方向為上隅角至進風巷方向，Y軸正方向為上隅角沿采空區方向延伸，Z軸正方向為上隅角至煤層頂板向上垂直延伸，建立坐標軸以后對采空區X方向上不同位置處瓦斯濃度做垂直與X軸的切片得到圖2，對采空區Y方向上不同位置瓦斯濃度作垂直Y軸的切片得到圖3，對采空區Z軸方向上不同高度瓦斯濃度進行模擬后得到曲線圖4（由于篇幅所限，這里僅列出Y=300m時Z軸方向上曲線圖）。

圖2 采空區X方向上瓦斯濃度分布水平截面圖

通過觀察圖2中采空區X方向上瓦斯濃度分布圖，從原點方向沿X軸正方向，將圖中三幅切片分別定為上部采空區、中部采空區、下部采空區，可以看出圖中左側區域即從坐標原點向進風巷道延伸方向，瓦斯濃度是在下降的，這是因為進風巷風流大，瓦斯濃度相對較低，而且隨著新鮮風流從進風巷至回風巷，漏風嚴重并進一步導致了坐標原點處（上隅角）瓦斯積聚，觀察圖中中部區域，可以看出上部采空區中自然堆積區、載荷影響區的瓦斯濃度都大于中部采空區以及下部采空區，同樣地觀察圖中右部區域，上、中、下部采空區瓦斯濃度都呈現集中化現象，但上部采空區壓實穩定區瓦斯濃度仍高于中、下采空區。

圖3 采空區Y方向上瓦斯濃度分布水平截面圖

通過觀察圖3可以看出采空區Y方向上，在圖中左側區域可以看出靠近坐標原點處瓦斯濃度相對較低，沿Y軸正方向向采空區延伸可以看出瓦斯濃度是在逐漸增大的，另外隨著Y坐標的不斷增大，瓦斯從上部采空區逐漸擴散至中、下采空區，總體呈現出上部采空區瓦斯濃度大于中、下采空區瓦斯濃度，綜上所述：采空區與回采面之間距離的增加導致瓦斯濃度呈現遞升狀態，即瓦斯濃度與二者間距離成正比關系，距離回采面越近，瓦斯濃度越高。

圖4 Y=300m處采空區Z軸方向上瓦斯濃度散點圖

觀察圖4散點圖可以明顯看出隨著高度的增加，瓦斯濃度是在遞升的，整體速率呈現出由快速增長轉至穩定增長，這是因為在回采完成后，采空區直接頂板的垮落導致瓦斯受到擠壓，而瓦斯在采空區內是流動狀態，能夠透過巖石之間裂隙[2]向上浮動，而后續采空區壓實以后上覆巖體也趨于穩定，這也就導致了后續瓦斯濃度增長速率變緩。

綜上所述：在X方向上，從進風巷至回風巷的途中，隨著采空區的逸散以及漏風量的增加，工作面瓦斯濃度是在增加的，尤其集中在上隅角達到了13.5%，而采空區X方向上瓦斯也呈現出了同樣的規律，從進風方向到回風方向上，瓦斯濃度逐漸增加但其增加程度是高于工作面的，最大瓦斯濃度出現在壓實穩定區內，高達90%；在Y方向上瓦斯濃度與采空區與回采面之間距離成正比關系；在Z方向上瓦斯濃度同樣與垮落高度成正比關系，即高度增加，瓦斯濃度增加，速率上呈現出由快至慢并逐漸穩定的狀態。

3 瓦斯治理

3.1 通風方式的改變[3]

已知Y型通風相對U型通風方式來說具有上隅角瓦斯濃度小的特點，為此2113工作面可以采用沿空留巷方式對2111工作面的通風方式進行改變，選用較為合理的Y型通風方式即2111工作面運輸巷與運料巷兩巷進風，2113沿空留巷段回風，其中通風線路圖見圖5，并適當增大風速，最大不能超過6m/s，由原先的2m/s增大為3.5m/s，但風速增加也會導致漏風增加，不能從根本上解決問題，因此需要對采空區進行瓦斯抽采。

圖5 Y型通風方式布置圖

3.2 瓦斯抽采[4]

礦方為了對采空區瓦斯的治理方式進行完善，礦方決定對采空區內瓦斯進行抽采，而根據第二節內容可以知道瓦斯多積聚在壓實穩定區，而且瓦斯容易向上部逸散，因此礦方采用頂板高位鉆孔抽采技術治理采空區，共布置4組鉆場，鉆機采用ZDY6000LD液壓鉆機，最大鉆探長度為1000m，鉆場之間距離為40m，每組鉆場設置8個鉆孔，各鉆孔之間間距為40mm，鉆孔直徑為94mm，鉆孔長度均在120m以上，抽采詳細可見圖6、圖7。

圖6 鉆場布置平面圖

圖7 鉆孔布置剖面圖

3.3 瓦斯治理效果

礦方在實施了高位鉆孔抽采技術后，工作面回采期間瓦斯報警器均無出現警示，但為了對瓦斯抽采方案的有效性有更直觀的感受，礦方在治理期間對2111工作面不同地點的瓦斯濃度進行了觀測，本次觀測貫穿整個瓦斯抽采過程，共持續了60天，抽采量達到了并將數據進行整理分析后得到了圖8瓦斯濃度曲線圖。

圖8 瓦斯濃度曲線圖

觀察圖8中三曲線瓦斯濃度峰值為0.6%左右，并且在允許濃度范圍之內，表明所采取措施較為有效的解決了2111工作面的現場問題，而且觀察三條曲線中工作面瓦斯濃度在抽采后有了明顯的降低，整體穩定在0.4%，上隅角瓦斯濃度整體上穩定在0.5%左右，而回風巷瓦斯濃度整體穩定在0.3%～0.4%之間，為煤礦安全提供了保障。

4 結 論

已知2111工作面原先通風方式為壓入式U型通風，在工作面回采過程中瓦斯檢測儀檢測到工作面上隅角瓦斯濃度達到了13.1%，給煤礦安全生產造成了隱患，為了保證工作面的安全回采并有效的降低瓦斯超限的問題，礦方采用Fluent軟件對整個回采面建立了模型，數值模擬后得出瓦斯積聚在壓實穩定區即回風巷后方采空區，而且瓦斯容易逸散至采空區上部斷裂帶，為此礦方采用了Y型通風+頂板高位鉆孔瓦斯抽采對2111工作面進行了治理，抽采后根據現場實測得出工作面瓦斯濃度穩定在0.4%左右，上隅角瓦斯濃度穩定在0.5%左右，回風巷瓦斯濃度穩定在0.3%～0.4%之間，在瓦斯濃度得到了較為有效的控制，為煤礦生產提供了安全保障。