高瓦斯礦井工作面上隅角瓦斯超限治理研究

孫貝貝

（西山煤電集團有限責任公司，山西 太原 030053）

引言

煤炭作為我國基礎能源及主要工業原材料供應著人民生活生產。隨著我國煤炭資源的開采年限日益增加，煤炭資源賦存條件簡單的煤層已經逐步得到開采，現階段開采的主要對象轉移到賦存較為復雜的煤層。賦存條件較為復雜的煤層在開采時大量的瓦斯聚集引發爆炸等事故成為了困擾礦山開采的重要難題。在現實生產中，治理瓦斯的方法較多，但治理的效果并不十分理想，所以研究礦山的瓦斯治理成為了熱門課題。耿銘[1]為了驗證L 型通風對綜采工作面采空區的瓦斯進行抽采效果，利用數值模擬軟件對其進行模擬，發現L 型鉆孔抽采技術可以有效解決瓦斯超限的問題，達到了穩定采空區的作用。張占國[2]研究了堅硬頂板沖擊地壓煤層發生瓦斯災害的原因，提出六位一體的治理方法對瓦斯問題進行治理，并對治理后的工作面進行瓦斯監測，發現治理后的工作面無瓦斯涌出異常，有效保證了工作面的安全。解志勝[3]針對工作面瓦斯突出問題，提出在工作面采用U 型通風與高位鉆孔的方法對瓦斯進行治理，解決了工作面瓦斯積聚問題，實現了瓦斯零超限，保證了礦山的安全生產。劉軍[4]分析了工作面瓦斯量與通風量之間的關系，提出通過順層交叉鉆孔、裂隙帶抽采的方法對瓦斯進行治理，治理后綜采工作面的瓦斯得到了有效的治理，瓦斯超限現象得到了遏制。本文基于前人的研究，以杜兒坪礦22610 工作面為工程背景，對采空區上隅角瓦斯進行治理研究，為巷道安全開采做出貢獻。

1 礦井概況

杜兒坪礦位于呂梁山脈中麓、太原市以西20 km處的西山煤田中部，井田面積為63.1 km2，礦井年設計生產能力為385 萬t，屬高瓦斯礦井。22610 工作面的西側和北側為實體煤，工作面東側為已采22608 工作面，工作面由回風順槽、進風順槽、高抽巷和切眼組成。其中，回風順槽長度為2 381.7m，進順槽長度為2 510.6m，高抽巷長度為2 384.7m，工作面切眼長度為290 m，可采長度為2 261.7 m。工作面主采煤層為6#煤層，煤層厚度為6.25～6.55 m，煤層平均厚度為6.4 m，回采率94%，工作面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤采煤法。工作面煤層的原始瓦斯含量約為10.049 6 m3/t，其中殘余瓦斯含量約為2.37 m3/t，可解析的瓦斯含量為7.127 4 m3/t，屬于高瓦斯工作面。

巷道頂板的高抽巷是在煤層頂板位置布置一條巷道，其功能是進行巷道瓦斯抽采。高抽巷的主要工作原理是煤層頂板裂隙帶內的瓦斯隨著工作面推進逐步卸壓冒落，此時采空區內聚集的瓦斯沿著裂隙涌向整個裂隙帶，由于高抽巷的存在，一定負壓使得裂隙帶內的瓦斯及采空區內的瓦斯由于力的作用流向高抽巷，有效減少采面的瓦斯含量。從其作用機理可以看出，高抽巷的抽采效果與高抽巷的抽采參數及層位布置有著一定的關系，所以利用數值模擬對不同埋管深度及布置層位下瓦斯抽采效果進行研究[4]。

2 模型建立

根據實際尺寸及地質資料中冒落帶、裂隙帶的高度，建立采空區的物理模型，工作面的斷裂角為63°，垮落角為73°。模擬忽略工作面機械設備，適當進行簡化，忽略礦井的周期來壓，僅考慮采空區的漏風、回風巷、進風巷、高抽巷抽采對瓦斯運移的影響。將進風巷和回風巷簡化為長方體，具體尺寸為長20 m、寬5 m、高3 m，高抽巷尺寸為長10 m、寬3 m、高3 m；模擬工作面長、寬、高分別為290 m、9 m、3 m；采空區長、寬、高分別為300 m、290 m、77 m。煤層近似為水平。對物理模型進行網格劃分，網格質量不僅影響計算精度同時影響計算結果，利用ICEM CFD 軟件進行網格劃分，模型內瓦斯濃度設定為0.716 7 kg/m3，高抽巷抽采負壓為2 kPa，通風方式采用U 型+高抽，完成模型的建立，對模型進行模擬研究[5-6]。首先對高抽巷不同層位下瓦斯分布情況進行模擬，高抽巷層位為相對于圖1 參考點的層位變化。

圖1 高抽巷層位參照圖

3 模擬分析

高抽巷不同層位采空區瓦斯濃度分布云圖如圖2 所示。

圖2 抽巷不同層位采空區瓦斯濃度分布云圖

為了對比層位對瓦斯運移的影響，選定高抽巷的豎直層位為10 m，同時考慮到日常的維護，所以設定高抽巷和回風巷留存10 m 的距離。綜合選定層位分別為（10 m，10 m）、（10 m，20 m）、（10 m，40 m）、（20 m、20 m）四種情況進行模擬。從圖2 可以看出，采空區的瓦斯濃度分布情況整體呈現出回風側瓦斯濃度高于進風側瓦斯濃度的趨勢，出現這一現象的原因是在進風側由于進風風流作用使得瓦斯濃度得到一定的稀釋，所以瓦斯濃度相對較低。觀察模型垂直方向的瓦斯濃度分布情況可以看出，采空區上部瓦斯濃度高于采空區下部瓦斯濃度，呈現這一現象的原因是采空區冒落帶使得下部漏風量較大，產生一定的稀釋作用，同時由于瓦斯質量密度較小，所以會產生一定的浮升效應。以高抽巷為界下部由于漏風稀釋瓦斯濃度較低，而在其上部高抽巷為負壓匯流點，所以聚集一定范圍的高濃度瓦斯，造成高抽巷一定范圍內瓦斯濃度增高。對比不同層位下高抽巷對采空區內部瓦斯影響云圖，可以看出不同層位對采空區瓦斯濃度影響較小，對上隅角瓦斯有著重要的作用；當水平距回風巷較遠且豎直層位增大時，此時高抽巷對上隅角范圍影響變大，瓦斯濃度較低區域增加，但在上隅角位置瓦斯濃度變高，所以高抽巷布置位置距離上隅角越遠，此時上隅角瓦斯治理越困難，瓦斯涌出現象越明顯[7-8]。

相對于U 型通風而言，上隅角的瓦斯積聚主要是由于有采空區瓦斯涌出造成的，所以控制好采空區的瓦斯涌出量十分重要。對采空區埋管瓦斯抽采技術進行研究，用于配合高抽巷同步使用。埋管的深度是影響抽采效果的重要因素，所以對不同埋管深度瓦斯濃度分布情況進行模擬，埋管深度選定10 m、30 m、50 m、70 m，抽采量保持不變，均為25 m3/min，匯總不同埋管深度下上隅角瓦斯濃度曲線如圖3 所示。

圖3 不同埋管深度上隅角瓦斯濃度曲線

從圖3 可以看出，采空區上隅角瓦斯濃度隨埋管深度增加呈現先降低后增加的趨勢。當埋管深度設定為10 m 時，此時上隅角瓦斯濃度值為2%；增大埋管埋深至30 m 時，此時的上隅角瓦斯濃度為0.78%；當埋管深度增大至50 m 時，此時的上隅角瓦斯濃度1.55%；當埋管深度增大至70 m 時，此時的上隅角瓦斯濃度最大為3%。出現這一現象的原因是由于隨著埋管深度的增大，此時采空區受到漏風影響效果減弱，瓦斯受到抽采負壓影響被抽走，從而上隅角瓦斯聚集現象有所減弱，瓦斯濃度為1%左右，能夠滿足安全開采要求；繼續增大埋管深度時，抽采口距離采空區距離較遠，此時漏風影響及高抽巷采流場雙重作用效果較弱，所以上隅角瓦斯濃度呈現增大的趨勢。從以上分析可以看出，當采空區埋管深度在40 m 時，上隅角瓦斯濃度控制較佳[9-10]。

4 結論

1）杜兒坪礦采用數值模擬對不同埋管深度及高抽巷層位下瓦斯抽采效果進行分析，根據實際情況建立模型，為后續模擬奠定基礎。

2）模擬不同層位瓦斯分布情況發現高抽巷布置位置距離上隅角越遠，上隅角瓦斯治理越困難。

3）采空區上隅角瓦斯濃度隨埋管深度增加呈現先降低后增加的趨勢，最佳采空區埋管深度為40 m。