高抽巷抽采條件下采空區瓦斯運移規律研究

2022-06-01 01:35:12官安龍胡新宇

煤 2022年5期

官安龍，胡新宇

(1.潞安化工集團余吾煤業責任有限公司山西長治 046000；2.太原理工大學安全與應急管理工程學院，山西太原 030024)

煤層開采后，上覆煤巖層因受采動影響，產生不同程度的變形，煤層的透氣性大幅度提高，煤巖體內大量吸附的瓦斯被解吸出來[1-3]，引起瓦斯超限，甚至會造成瓦斯爆炸事故[4-5]，威脅生產安全[6]，因此，許多瓦斯抽放技術被應用于治理采空區瓦斯[7-8]。通過高抽巷瓦斯抽采技術，可以降低瓦斯濃度，減少瓦斯事故的發生，也在一定程度上緩解能源緊張的[9]。白建強等[10]借助FLUENT軟件模擬分析高抽巷距回風巷不同平距、煤層頂板不同垂高條件下的瓦斯抽放效果，確定了高抽巷的最佳位置；靳曉華等[11]運用單元實測法分析瓦斯分布規律，并優化了高抽巷抽采技術；梁成等[12]研究了不同布設參數下的高抽巷對采空區瓦斯與氧氣流場運移規律的影響。

本文通過理論分析的方法，探究余吾煤業N1102綜放工作面采空區的瓦斯分布規律；運用數值模擬的方法，分析高抽巷抽采條件下采空區的瓦斯運移規律，并結合現場實測數據驗證模擬的正確性。

1 綜放工作面采空區瓦斯運移規律

1.1 試驗工程地質特征

余吾煤業主采煤層為二疊系山西組3號煤層，平均厚度6.1 m，煤體容重1.39 t/m3，平均傾角為3°，采用走向長臂綜采放頂煤一次采全高、全部垮落法管理頂板，工作面采高3.1 m，放煤厚度為3 m。在N1102工作面進行試驗，工作面回采平距1 021.6 m，切眼平距300 m；工作面地質構造簡單，煤層直接頂為482 m泥巖，老頂為9 m中粒砂巖，直接底為3.5 m厚的泥巖。

1.2 采空區瓦斯運移規律分析

采空區風流速度小，導致對流傳質系數小，從而造成瓦斯積聚；另外，瓦斯會在浮升力的作用下聚積到采空區頂部[13]，巷道周邊的層流邊界層也會使得高濃度瓦斯不被漏風流帶走，使采空區瓦斯濃度大大升高。

上述原因使采空區瓦斯分布具有一定的規律，工作面風速較大，瓦斯濃度相對較低，在距工作面一定距離的采空區內，殘留在采空區底板的浮煤會釋放大量瓦斯；隨著距工作面距離的增加，垮落下的巖石較為松散，間隙較大，從而漏風風速也較大，瓦斯濃度隨之降低；當浮煤瓦斯釋放量很小時，瓦斯濃度降低到一定程度便保持穩定。因此，采空區瓦斯濃度在平行于工作面方向上呈現出來的規律是：隨著距工作面距離的增加，瓦斯濃度先增大，后減小，然后保持穩定。

在工作面附近，采空區瓦斯濃度在垂直于工作面方向上呈現的規律為：從進風側到回風側，瓦斯濃度逐漸增大。當距工作面有一定距離時，瓦斯濃度基本保持平穩，主要原因是工作面附近風流速度較大，在風流的作用下，瓦斯向回風側運移；而在距工作面較遠處的采空區內，漏風流流速較小，瓦斯濃度變化在分子擴散的作用下逐漸趨于平穩。

瓦斯受到浮升力的作用會向頂板方向運移，造成頂板瓦斯積聚[14]。受到漏風流的影響，在豎直方向上，采空區瓦斯會呈現一定的規律，在靠近工作面處，漏風流帶走的瓦斯量較大，瓦斯濃度梯度較小；隨著距工作面距離的增加，垮落的頂板被壓實，瓦斯運移空間減小，瓦斯濃度梯度逐漸增大。另一方面，高處的漏風流較小，也會使得瓦斯濃度在豎直方向上分層。

1.3 工作面瓦斯濃度測定

通過布置監測點，測定工作面瓦斯濃度分布，得出工作面瓦斯分布規律。沿N1102工作面切巷每15 m布置1個測站，共布置20個測站，如圖1所示，每個測站按照圖2布點方式各測定一組數據。

圖1 瓦斯濃度測點布置示意

圖2 每個測點斷面3個測點位置圖

1.3.1 工作面瓦斯濃度沿切巷分布規律

在各個測點測得瓦斯濃度，并求出其瓦斯濃度的平均值，見表1，由此得到沿工作面風流方向的濃度分布。測定數據表明，采面瓦斯濃度從進風側至回風側逐漸增大，進風到采面中部范圍內瓦斯濃度變化不大，采面中部到回風上隅角瓦斯濃度增加較快，尤其是靠近回風側30 m范圍內瓦斯濃度較高，如圖3所示。

表1 N1102工作面瓦斯濃度測定數據單位：%

圖3 切巷方向瓦斯濃度變化曲線圖

1.3.2 工作面瓦斯濃度沿走向分布規律

圖4為觀測斷面的瓦斯濃度分布曲線，隨著距工作面距離的增加，瓦斯濃度呈現先升高、然后降低、再升高的分布規律，即存在一個瓦斯濃度的最低點，該點隨著采面的不同位置有所不同，現場實測數據與理論分析一致。

圖4 觀測斷面的瓦斯濃度分布曲線圖

1.3.3 工作面瓦斯涌出的不均衡性

以上數據均為采面停止工作時測定，采煤機的位置會對瓦斯分布造成影響。當采煤機由進風側向中部移動時，瓦斯涌出量較小，且會有一部分瓦斯漏入采空區；當采煤機繼續向回風側移動時，之前漏入采空區的瓦斯隨風流涌出到工作面。經過現場實測，發現瓦斯在靠近回風側30 m內容易積聚。原因是在此區間內采煤機會使斷面減小，阻力增大，通過支架間隙漏入采空區的瓦斯會帶著支架后方高濃度瓦斯快速返回工作面，造成瓦斯涌出量增大。根據觀測表明：在此段工作時，易造成工作面瓦斯超限。

2 高抽巷抽采條件下采空區瓦斯運移規律

2.1 數值模型的建立

以余吾煤業N1102工作面采空區為原型，進行FLUENT數值模擬分析。考慮到模型的收斂性，將綜放工作面采空區幾何模型進行簡化，且忽略工作面的周期來壓、煤炭自燃、各種設備情況等，只考慮采空區漏風、高抽巷對采空區瓦斯分布的影響，模型基本參數見表2。

表2 模型的基本參數

網格劃分為兩部分，進回風巷、采煤工作面為volume1，采空區為volume2。網格劃分以沿采空區走向方向、進回風巷方向、采煤工作面走向方向，網格間距均為2 m，沿高度方向網格間距為0.5 m，則高抽巷中volume1網格數為15 103個，volume2網格數為749 940個，共計76 983個，見圖5。網格邊界條件設置如下：進風巷設置為速度入口邊界，回風巷設置為壓力出口邊界，高抽巷出口設置為壓力出口邊界，其他設置為壁面邊界條件。

圖5 高抽巷采空區物理模型

滲透率與瓦斯源項是采空區瓦斯運移數值模擬的關鍵參數。本文通過現場實測以及實驗研究，確定模擬所需參數：

1) 確定滲透率。煤層開采后由于缺乏支撐，其上覆巖層會垮落下來，且具有一定規律。根據其呈現出來的特征，可在橫向采空區將其劃分為自燃堆積區、載荷影響區及重新壓實區。

2) 確定瓦斯源項。綜放工作面瓦斯涌出主要來源為煤壁、落煤的瓦斯涌出以及采空區瓦斯涌出。采空區的瓦斯涌出主要是采空區遺煤，因此將采空區瓦斯涌出看作為均勻分布，即將各種采空區瓦斯涌出源涌出的瓦斯平均到采空區各單位體積上；又因為采空區“豎三帶、橫三區”的碎脹系數的不同，這樣采空區同一區域帶內不同位置單位體積、單位時間瓦斯涌出量相等。

3) 確定邊界條件。采用考慮浮力影響的Realizable K-ε模型，進口風速取3.43 m/s，多孔介質流動選擇PRESTO格式，Second Order Upwind格式。

2.2 模擬結果分析

設定高抽巷與回風巷水平距離30 m、高抽巷距煤層頂板35 m條件下進行模擬，模擬結果如圖6所示。

圖6 高抽巷抽采條件下采空區瓦斯濃度分布圖

從模擬結果可以看出，高抽巷作用范圍很大，受高抽巷影響的采空區瓦斯濃度均有一定程度的降低，工作面瓦斯濃度下降明顯，最高達0.6%。這是由于采用高抽巷后，采空區部分瓦斯通過高抽巷流走，逸出到工作面的瓦斯大量減小，使采煤工作面瓦斯濃度保持較低濃度。

3 高抽巷抽采效果實測分析

通過搜集整理高位抽采條件下工作面進回風巷高位鉆場、千米鉆機裂隙帶鉆孔和高抽巷等瓦斯抽采參數，部分參數如表3所示。

由表3可知，隨著高抽巷開始起作用，工作面回風巷的高位鉆孔也封閉關掉。隨著工作面日產量由4 000 t增到12 316 t，工作面絕對瓦斯涌出量從33.43 m3/min增到44.77 m3/min，即隨著工作面開采強度的增加，工作面瓦斯涌出量也隨之增加。高抽巷的抽采純量是原有回風巷的高位鉆孔的4倍左右，為21.04 m3/min，抽采瓦斯量明顯增加，可見高抽巷抽采對治理瓦斯作用很大。