采空區瓦斯埋管抽采技術應用與分析

李思陽

（潞安集團漳村煤礦，山西 長治 046032）

0 引言

隨著采煤工作面推進，后方頂板垮落而且形成一定范圍采空區，工作面風流通過采空區后，在自然壓力差作用下，從上隅角進入回風流，采空區內積聚的瓦斯進入回風流和上隅角，當采空區頂板初次來壓或者周期性來壓時，會造成瓦斯突然涌出，威脅作業人員安全[1]。

1 工程概況

某礦生產規模150萬t/a，批準開采平均厚度2.1m、容重1.3t/m3且賦存穩定的8#煤。依據測定得出的瓦斯涌出量報告，該礦絕對瓦斯涌出量56.3m3/min，相對瓦斯涌出量20.2m3/t，屬于高瓦斯礦井。8208工作面選用機械化走向長壁采煤工藝，工作面傾向長度180m，垮落法管理采空區頂板，U型獨立通風方式，該工作面原煤瓦斯最大含量為6.1m3/t。

分析該工作面的瓦斯涌出情況可知，影響瓦斯涌出的因素主要包括回采工藝、原煤瓦斯含量、工作面回采速度、礦山壓力、工作面配風量等。

1）煤層瓦斯含量：煤層中瓦斯含量是指煤體內處于吸附和游離兩種狀態的瓦斯總和，測定8208工作面的最大瓦斯含量為6.1m3/t。

2）生產工序：當其他條件相同時，不同采煤作業工序對應的瓦斯涌出特征存在差異。現場統計，8208工作面生產班現場實測的最高瓦斯濃度約為檢修班該值的1.1倍。

3）周期來壓：伴隨著回采工作面的不斷向前推進，上覆巖層垮落，煤體內產生大量裂隙，鄰近煤層及圍巖內的瓦斯在風流作用下不斷涌入工作面，從而增大了回風順槽風流中的瓦斯含量。常規開采階段，瓦斯涌出量隨著工作面頂板周期來壓呈現周期性增加現象[2]。

4）工作面配風量：8208工作面采用“U”型通風，隨著工作面配風量不斷增加，運輸與回風順槽兩端之間的風力壓差不斷增大，采空區漏風量增加，采空區遺煤瓦斯及鄰近煤層卸壓瓦斯進入回風順槽，瓦斯涌出量增加。

在8208工作面的采空區采用插管抽放，在回風順槽布置一根Φ377mm的螺旋焊縫鋼管負壓抽采采空區瓦斯，距正在回采工作面30m左右通過拄制閥連接風筒。但實際抽采出采空區瓦斯的濃度最小2.5%,最大5.8%、平均僅為4.5%,分析主要原因是由于回采過程中存在丟底煤情況，當采空區遺煤量較大時、采空區瓦斯涌出量較大，導致風筒瓦斯濃度升高；二是回采過程中老頂巖梁周期性破斷、垮落導致臨近層瓦斯涌出至采空區，致使風筒內瓦斯濃度呈“波浪”形分布。

2 采空區瓦斯埋管抽采技術分析

針對8208工作面瓦斯含量高，預抽效果差，且采空區遺煤較多，導致工作面回風流和上隅角瓦斯濃度易超限的情況，現有抽采工藝不能滿足實際要求，因此，提出了采空區埋管法抽采瓦斯，采空區瓦斯埋管抽采工藝如圖1所示。

圖1 采空區瓦斯埋管抽采工藝

1）在回風順槽布置一根Φ377mm的低負壓支管，并在靠近工作面處支管上安裝變徑將Φ377mm變為一趟Φ273mm的鋼絲骨架膠管管路，加設木垛或其他支護方式對埋設的瓦斯抽采管路加以保護，距離底板不低于0.5m[2]。在瓦斯管末端安裝鐵砂網，防止煤渣掉入瓦斯抽采管路[3]。

2）瓦斯管路每隔9m加設三通和閥門，每隔18m加設蝶閥(可根據具體單根瓦斯管路長度調整三通和蝶閥間距)，連接瓦斯抽放軟管（4寸以上）并在上隅角密閉前進行插管抽放，以控制密閉前瓦斯。

3）當工作面推進至三通位置時，拆除密閉前的抽放軟管，改由下一個三通連接軟管進行密閉前插管抽放，同時打開己拆除軟管的三通，拆除閥門，加設鐵砂網進行敞開式抽放或安裝花管抽放[4]。若加設花管時，三通可豎直安設，不加花管時三通安設時盡量不要垂直向上，應向采面方向傾斜一定角度。當工作面推進至蝶閥位置時，關閉蝶閥，以防瓦斯管路深入采空區內部引發煤層自燃。

4）預埋管路應做到防水、防渣堵塞、防爆和防砸，木垛支護應盡可能密集，同時可保留管路附近的密閉墻，采用敞開式抽放時管口用鐵砂網保護。抽采管路上應設置孔板，以便觀測所抽采瓦斯的流量、負壓及濃度。要求管口負壓不低于5kPa，且隨時注意回采工作面推進過程中瓦斯管路及上隅角的瓦斯濃度，根據濃度變化及時調節抽采負壓。同時需要隨時監控管路內及采空區CO的濃度，發現異常時應采取相應的防滅火措施。

3 采空區瓦斯埋管抽采數值模擬分析

FLUENT軟件是CFD常用軟件之一，具有多重算法、多重精準網格、模型類型多等優點，目前多應用在復雜流體流動和熱傳導等方面。求解FLUENT的基木程序有前處理、選擇物理模型、選擇計算模型、求解和后處理等組成。以8208工作面為研究背景建立數值模型，其中X軸為采空區，Y軸是工作面切眼，出口及入口的長寬分別為5m,35m。將后方采空區作為多孔介質滲流區，回采工作面作為氣體自由流態區[5]，模型示意圖如圖2所示，模擬條件參數見表1。

圖2 數值模型示意圖

表1 數值模擬參數

依據采空區流場的不同特性對采空區流場進行網格劃分，網格尺寸為2×2，工作面自由流態網格劃分網格為0.5×0.5。模擬得到采空區后方10m處埋管抽采瓦斯的采空區壓力等值線和濃度分布如圖3所示，采空區后方20m處埋管抽采瓦斯的采空區壓力等值線和濃度分布如圖4所示。

圖3 采空區后側10m處埋管抽采采空區壓力等值線和瓦斯濃度分布

圖4 采空區后側20m處埋管抽采采空區壓力等值線和瓦斯濃度分布

分析模擬結果圖3，可以得出埋管抽放中瓦斯濃度及流量隨工作面不斷向前推進不斷增加，8208工作面埋管深度應該位十采空區后方10m。分析模擬結果圖4，可以得出當采空區埋管深度20m時，瓦斯抽采效果最佳，抽采濃度和流量最大。因此，在采空區10m～20m范圍布置抽采管口時上隅角的瓦斯濃度較小。

4 結語

埋管法對抽放采空區上隅角瓦斯具有獨特作用，針對8208工作面煤層瓦斯含量高，預抽效果差，且采空區遺煤多，導致回風流和上隅角瓦斯濃度易超限，現有抽采工藝不能滿足要求的現狀，采用了采空區埋管抽采瓦斯的方法。通過數值模擬得出，采空區埋管深度20m時，瓦斯抽采效果最佳，抽采濃度和流量最大。但是由于距離上隅角的位置較遠，對該位置的瓦斯治理效果較差。在采空區10m和20m處布置抽采管口，上隅角瓦斯較小，因此8208工作面埋管深度應為工作面后方10～20m。