不同抽采條件和配風條件下工作面瓦斯濃度分布研究

任晉娟

(山西高河能源有限公司，山西 長治 047100)

我國能源儲量豐富，但覆存不均，整體呈現出多煤、少油、貧氣的特點。煤炭作為我國重要的能源形式，對我國國民生產生活影響巨大。在煤礦開采過程中，由于我國煤礦綜放面多為U型通風[1-2]，使得采煤工作面的上隅角位置處于風流的拐點，造成風流流速較低，易形成一定范圍的風流渦流區。同時考慮到瓦斯的升浮特性，當采空區出現漏風現象時會在上隅角位置形成瓦斯聚集[3-5]。上隅角瓦斯聚集的問題一直困擾著礦井正常開采，對其治理方法的研究也從未停止。本文對抽采條件下采空區漏風對上隅角瓦斯積聚的影響進行研究[6-9]，為煤礦上隅角瓦斯超限治理提供一定的參考，為礦井安全生產提供一定的保障。

1 現場監測

采空區的漏風按照其形式可分為內部漏風和外部漏風，內部漏風主要是采空區煤柱、底巷、巖層等存在裂隙而造成，外部漏風又可分為礦井間及井口漏風。出現漏風現象的主要原因是在采空區的兩側存在一定風壓差導致風流的運移，所以采空區漏風量的大小與其兩側風壓差有著密切的聯系。巷道巖層存在貫通裂隙同樣也會造成采空區的漏風。為了研究漏風對上隅角瓦斯積聚的影響，首先要對漏風進行定位。由于采空區較為復雜，所以本文采用間接測量法進行分析。通過對工作面風量分布進行分析從而定位漏風位置。在工作面布置11個測點，采用斷面單元法進行測量，工作面測點布置示意如圖1所示。

圖1 工作面測點布置示意

在選定測點后，通過表尺對測點的斷面積進行測量，同時利用風表得出各測點的風速，最終得出風量的分布情況，測取間隔為1 h，根據測點風量繪制工作面風量分布曲線如圖2所示。

圖2 工作面風量分布曲線

由圖2可以看出，隨著工作面傾向長度的不斷增加，風流在各測點的風量呈現出先減小后增大的趨勢。在工作面傾向長度為73 m時，風量最小，為1 278 m3/min。根據對各測點間的相互差值可知，在未抽采時工作面進風側0～ 30 m及回風側110～145 m區段內風量變化較大，所以可以得出，此段為工作面漏風主要流動區域。工作面進風側至傾向長度73 m的區域為工作面風量漏入采空區范圍，在此范圍內的漏風量約為150 m3/min，相應的，從工作面傾向73 m至回風側則為采空區風流流入工作面區域，風量為153 m3/min，可以看出采空區漏風來源不止工作面一處，存在外部漏風。

對工作面進行高位鉆孔抽采瓦斯，高位鉆場布置在回風巷位置，根據地質資料可知，工作面的垮落帶、裂隙帶高度分別為7～9 m、29～31 m，所以經過計算將高位鉆孔的傾角設定為10～18°，鉆孔深度選定為95 m，終孔點距離頂板及回風巷鉆場距離分別為15～25 m、5～20 m。對抽采流量95 m3/min、123 m3/min、159 m3/min、171 m3/min四種情況下的上隅角瓦斯濃度進行監測，繪制上隅角瓦斯濃度變化如圖3所示。

圖3 上隅角瓦斯濃度變化圖

由圖3可知，當設定的抽采流量為95 m3/min時，上隅角的瓦斯濃度在0.26%～0.45%之間波動，整個波動過程中出現3次瓦斯濃度異常情況，3次瓦斯濃度異常下瓦斯濃度分別升高至0.89%、0.78%、0.84%；對比抽采流量123 m3/min 時，上隅角瓦斯濃度在 0.26%～0.39%范圍內波動，異常出現2次，2次異常時的瓦斯濃度分別為 0.65%，0.78%；繼續增大抽采流量至159 m3/min時，瓦斯濃度在0.27%～0.35%間穩定波動，在此抽采量下，上隅角的瓦斯濃度無異?，F象出現；抽采流量171 m3/min時，瓦斯濃度變化趨勢與抽采流量159 m3/min時相差不大，瓦斯濃度在 0.27%～0.35%之間波動。根據以上分析可以得出，隨著抽采流量的不斷提高，上隅角瓦斯含量降低，同時上隅角瓦斯異常升高問題能夠得到有效治理。同時可知，當抽采流量大于159 m3/min時，上隅角瓦斯治理效果相差較小，所以最佳的瓦斯抽采流量為159 m3/min。

2 數值模擬研究

為了進一步分析不同抽采條件下瓦斯濃度分布情況，利用fluent模擬軟件對其進行分析，對不同抽采能力系數下瓦斯濃度分布情況進行模擬，首先進行模型的建立。工作面采用U型通風系統，工作面長×寬×高=150 m×4 m×3 m，采空區尺寸為200 m×150 m×150 m，進、回風巷尺寸為10 m×4 m×3 m。對模型進行網格劃分，網格劃分采用三邊形結構，模型共計37 851個網格。對模型的邊界條件進行設定，將采空區劃分為不均勻的多孔介質，內部空氣為混合氣體，忽略流體相互運動造成的能量損失。根據計算設定瓦斯質量流量2.5×10-6kg/(m3·s)。進風巷為風流速度入口，高位抽采鉆孔和回風巷為自由出口，壁面為無滑移靜態壁面。對不同抽采能力系數(抽采流量與配風量的比值)下采空區濃度分布情況進行研究，抽采能力系數取0.05、0.1、0.15，配風量為1 400 m3/min，模擬云圖如圖4所示。

圖4 模擬云圖

隨著抽采能力的不斷提高，高位抽采鉆孔處的抽采瓦斯濃度呈現逐步降低的趨勢。根據對抽采強度的定義可知，3種抽采強度下的抽采流量分別為70 m3/min、140 m3/min、210 m3/min，在高位抽采鉆孔處的抽采瓦斯濃度分別在 2.8%～3.6%、1.8%～2.3%、1.4%～1.6%之間波動，對提前設定的上隅角瓦斯點P(1，3，200)進行瓦斯含量監測，發現3種抽采強度下瓦斯濃度分別為 0.49%、0.31%、0.26%.所以可以看出，隨著抽采強度的增大，上隅角瓦斯濃度呈現逐步降低的趨勢。綜合而言，當抽采流量為140～210 m3/min時，上隅角的瓦斯濃度處于可控范圍。

對不同工作面配風量對采空區內瓦斯濃度分布影響進行研究，同樣設定進風巷和回風巷為風流的速度入口和出口，設定抽采流量與工作面配風量比值為1∶9，模擬工作面配風量1 000 m3/min、1 400 m3/min、1 800 m3/min時濃度分布情況，繪制距工作面不同距離下回風側瓦斯濃度分布曲線，如圖5所示。

圖5 不同距離下回風側瓦斯濃度分布曲線

由圖5可知，隨著工作面配風量的不斷增加，回風側的瓦斯濃度逐步降低。這是由于配風量增大，漏風量也相應增大，使得漏入采空區的風流對瓦斯濃度進行了一定的稀釋，所以上隅角瓦斯濃度及回風側瓦斯濃度逐步降低。同時由于高位抽采鉆孔的存在，使得工作面漏入采空區的風流由此排出，一旦配風量較小時，工作面與采空區壓力差較小，風流流動速度較小，造成上隅角瓦斯濃度增大；當工作面配風量增大時，工作面與采空區壓力差增大，漏風攜帶的瓦斯濃度降低，風流攜帶瓦斯由抽采鉆孔排出，所以抽采鉆孔處的瓦斯濃度也有所降低，因此適當增大配風量能夠解決上隅角瓦斯異常超限問題。

3 結 語

1) 對抽采流量95 m3/min、123 m3/min、159 m3/min、171 m3/min四種情況下的上隅角瓦斯濃度進行監測，隨著抽采流量的不斷提高，上隅角瓦斯含量有了一定降低，同時上隅角瓦斯異常升高現象能夠得到有效治理。

2) 隨著抽采強度的增大，上隅角瓦斯濃度呈現逐步降低的趨勢。綜合而言，當抽采流量為140～210 m3/min時，上隅角的瓦斯濃度處于可控范圍。

3) 通過不同配風量對采空區內瓦斯濃度的分布影響進行分析，發現隨著工作面配風量的不斷增加，回風側的瓦斯濃度逐步降低。