采煤工作面上隅角瓦斯治理技術

文/孫緒志 王汝

江蘇宏安集團莆河煤礦為高瓦斯礦井，同時采用炮采落煤、全部垮落法處理采空區，造成上隅角和工作面瓦斯濃度嚴重超限，影響礦井的正常安全生產。

一、上隅角瓦斯積聚原因

煤礦采煤工作面多采用“U”型通風方式，上隅角容易積聚瓦斯是其存在的主要問題。由于瓦斯相對密度是0.554，比空氣密度小，常積聚在巷道的上部及高頂處，這種現象叫上隅角瓦斯積聚。而進入采空區的漏風攜帶瓦斯從上隅角流出，與主風流匯合時形成漩渦區，不能及時被主風流帶走，造成瓦斯積聚超限。

二、埋管抽放采空區瓦斯基本原理

研究表明，當采空區瓦斯涌出強度超過一定值時，必須進行瓦斯治理。在上述的上隅角瓦斯治理方法中，埋管抽放采空區瓦斯從而防止和降低上隅角瓦斯積聚的方法，是一種有效的防治技術，抽放效果最好，在工藝中已形成較為完整的一套技術方法，便于從根本上解決上隅角瓦斯積聚問題。

一般認為，煤層回采后，在其頂板形成三個受采動影響的地帶：冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，在其底板則形成卸壓帶。在壓差作用下，大量由鄰近層(QL)、本煤層涌出的瓦斯流向采空區(QB)，由于回采有部分瓦斯留在采空區，碎煤也有部分瓦斯散出(量相對較少)(QF)，采空區內瓦斯總量：QZ=QL+QB+QF。通過機械方式使采空區與之相通的管道(巷道)產生壓差，使大量的高濃度采空區瓦斯被抽放出，減少和避免采空區瓦斯沿漏風風流涌向工作面，達到工作面上隅角瓦斯不積聚和不超限（如圖1所示）。

三、上隅角瓦斯治理

為了解決莆河煤礦瓦斯抽放中遇到的問題，采用數值模擬的方法進行解決。依據實驗數據和現場所測的數據，采用GAMBIT建立計算模型，用FLUENT進行數值模擬，研究采空區沿工作面走向、傾向和豎向三個不同方向上的瓦斯濃度的分布規律，進而對埋管抽放采空區上隅角瓦斯提供依據，運用數值模擬的方法確定瓦斯抽放距離、抽放位置和抽放量的問題。

1.首先在現場測試的基礎上，以莆河煤礦回采面采空區瓦斯為研究對象，對采空區瓦斯來源、各個部分瓦斯含量及其影響因素進行分析，并研究不同的回采速度對采空區瓦斯涌出的影響。

2.基本假設。

(1)炮采面采空區多為多空介質，在多空介質中瓦斯被視為理想氣體，其滲流過程按等溫過程處理。

(2)瓦斯在煤、巖層中的流動符合達西定律，吸附瓦斯符合朗格繆爾方程，瓦斯在空隙結構微孔中的擴散運動符合菲克定律。

3.幾何模型的建立。依據現場實際和數值模擬的需要，將莆河煤礦采空區進行一定的簡化。簡化后的模型及其尺寸如下：

(1)工作面、進風巷、回風巷、采空區均視為規則的幾何圖形，不考慮設備的情況。

(2)為區別采空區不同的孔隙率，將其劃分為裂隙帶1、裂隙帶2，冒落帶1、冒落帶2、冒落帶3。

(3)采空區走向長度取142m，傾斜長度取82m（包括進風巷和回風巷寬度）；垂直高度取2.2m，其中走向長度分為三段，分別為8m、40m、94m；垂直高度分為兩段，為0.6m和1.6m。

(4)采空區孔隙率和粘性系數按照礦井鑒定材料選取。

幾何模型的主視圖和俯視圖如圖2和圖3所示。

4.按照以上的參數及邊界條件對U型通風方式進行數值模擬，入口風速取1.6m進行數值模擬，得出在采空區距工作面深2.3m、距底板垂高1.5m、距采空區煤壁1.7m處進行抽放最為有效；抽放負壓為27.79KPa、抽放量為58m3/min時抽放效果最好。

四、現場應用效果

依據數值模擬的結果對上隅角瓦斯進行抽放，雖然有效降低了上隅角和回風巷風流中的瓦斯濃度，但是仍然沒有降低到1%以下。經過現場測試分析原因，可能為上隅角采用麻袋裝滿矸石封堵效果不好；抽放泵抽放能力有限，研究決定采用以下兩個方法來解決問題。

1. 提高抽放過程的氣密性，減少漏風，提高抽放效果。在上隅角敷設瓦斯抽放管路與礦井瓦斯抽放系統連接；在上隅角切頂線處采用輕質材料砌筑可移動臨時墻。工作面上出口段的瓦斯抽放管路采用長3m、直徑219mm的聚乙烯管，后接直徑219mm鋼絲軟膠管，鋼絲軟管上接好變節，與聚乙烯管連接。將長3m的聚乙烯管伸入上隅角切頂線以內2.3m左右，吸入口用鋼紗網包好，防止破碎頂板堵塞吸入口，吸入口按照數值模擬的結果進行安放。可移動臨時墻主要采用內裝碎煤的魚鱗編織袋壘砌，頂部用雙抗網堵嚴，以提高抽放瓦斯的濃度及減少上隅角瓦斯積聚的空間。工作面每推進一個循環拉出一次鋼絲軟膠管，并進行固定封堵，采面每推進2m拆一次抽放的聚乙烯管?；夭晒ぷ髅嫔嫌缃腔亓蠒r，正常進行抽放，同時進行拆墻、砌墻工作，而隨著上隅角往外回料，抽放管往外回出一部分，始終保持抽放管在上隅角墻內2.3m，確保抽放效果。

2. 增強瓦斯抽放泵的抽放能力。現場實際上隅角瓦斯抽放采用兩臺2BEA-253型抽放泵。經現場檢測，即使瓦斯抽放泵達到其最高抽放能力，上隅角瓦斯濃度依然不能達到規定要求以下。由此可見更換抽放能力更強的瓦斯抽放泵十分必要。根據計算和現場經驗，選擇2BEA -303型抽放泵，配備電機功率為90 KW，可以滿足現場需要。

在采用了新的抽放泵和上隅角封堵方法后，上隅角瓦斯濃度明顯降低并達到0.65%以下，抽放效果達到了預期的目的。

五、結論

1. 結合莆河煤礦具體情況，由于上隅角瓦斯濃度過高，必須采用高效率的瓦斯抽放系統。

2. 通過計算機模擬研究不同的抽放距離、抽放量和抽放位置對采空區和上隅角瓦斯的影響，選取合理抽放參數，從而提高抽放效率。

3. 根據數值模擬結果提出抽放方案應用于現場試驗，并根據現場的實際情況提出改進方案，有效提高了瓦斯抽放率并將上隅角的瓦斯濃度降到規定濃度以下。