東曲礦28808工作面瓦斯超限治理分析

2019-09-23 02:42:42鄧鵬江

山西焦煤科技 2019年7期

賈鵬，鄧鵬江

(1.西山煤電集團有限責任公司東曲礦，山西古交 030200； 2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧沈陽 110016)

采空區瓦斯因漏風原因不斷地涌入工作面，是造成工作面瓦斯超限的主要原因之一[1].瓦斯源涌入采空區后混合在一起，在濃度差和通風負壓的作用下集中涌向工作面上隅角附近[2-3]. 東曲礦8#煤層為突出煤層，裂隙發育，瓦斯含量大，嚴重威脅該礦安全生產。基于該礦實際生產條件，研究28808工作面在推進30 m、80 m、130 m條件下，上隅角及采空區的瓦斯濃度分布，以確定抽采流量，指導煤礦安全生產。

1 采空區瓦斯涌出數學模型

煤巖體是由孔隙和裂隙組成的雙重介質，瓦斯以吸附態和游離態分別存在于孔隙系統、裂隙系統中，并處于動態平衡狀態[4-5]. 采空區煤巖破碎，裂隙發育，瓦斯流動受多種因素影響，流動過程復雜，運移方式屬于滲流—擴散運動[6]，其滲流運動適用于Brinkman方程描述：

(1)

(2)

式中：

μ—黏性系數，kg/(m·s)；

u—速度矢量，m/s；

p—壓力，Pa；

T—溫度，K；

ε—孔隙率。

當煤巖體孔隙的直徑很小時，瓦斯分子不能自由運動，其運移方式遵循流體的動力擴散定律[7]，即Fick定律：

(3)

式中：

r—極坐標半徑，m；

D—擴散系數；

c—瓦斯濃度，mol/m3；

t—時間，s.

巷道及工作面氣體流動方式以Navier-Stokes方程[8]進行描述：

(4)

(5)

2 采空區瓦斯涌出數值模擬

2.1 幾何模型構建

28808綜采面采空區冒落帶高度為10.6 m，裂隙帶高度為38 m. 隨著工作面不斷推進，采空區逐漸被壓實，其中距離工作面30 m為自然堆積區，30～80 m為載荷影響區，80 m后為壓實穩定區(見圖1). 基于以上數據構建幾何模型，研究工作面分別推進到30 m、80 m、130 m時瓦斯濃度場分布變化規律，有利于實現對采空區瓦斯流動情況更準確的數值模擬。

圖1 回采工作面覆巖的分帶和采空區的分區圖

2.2 煤層瓦斯賦存特征

東曲礦28808工作面平均煤厚3.62 m，煤層瓦斯壓力1.19 MPa，煤層透氣性系數為2.463 m2/(MPa2·d)，瓦斯含量為5.19～11.09 m3/t，采空區瓦斯涌出量為10.02～15.62 m3/t，由于在工作面不同的推進距離下瓦斯涌出量不同，根據該礦相關資料，不同推進距離下工作面配風量見表1，采空區各區域的孔隙度與滲透率見表2.

表2 采空區各區域的孔隙度與滲透率表

2.3 不同推進距離下通風系統壓力分布規律

針對工作面不同的推進距離，對工作面采空區進行數值模擬，得到不同推進距離的工作面及采空區空間的靜壓分布。根據煤層實際條件，選取Z=1 m高處截面壓力作為分析對象，通過數值模擬，得到不同推進距離的靜壓分布圖，見圖2.

圖2 不同推進距離下通風系統靜壓圖

由圖2可知，工作面進風側壓力最高，回風側壓力最低，隨著工作面推進距離的增加，高壓區的范圍逐漸縮小，工作面兩端的靜壓差逐漸變大，工作面分別推進到30 m、80 m、130 m時，兩端壓差分別為40.5 Pa、66.9 Pa、78.7 Pa，這是由于采空區面積的增大，導致了采空區涌向工作面的瓦斯量增大，又因為工作面配風量的增大，造成了工作面兩端壓差越來越大。

由于工作面推進30～80 m過程中，靜壓差增幅為26.4 Pa，增幅最大，故該階段采空區瓦斯在壓差驅動下向工作面涌出的速度變化最快；工作面推進距離80～130 m，靜壓差達到最大，但增幅僅有11.8 Pa，為前一階段的44.7%，瓦斯涌出速度的增幅雖然降低，但瓦斯涌出速度達到了最大值。

2.4 不同推進距離下采空區瓦斯濃度分布規律

通過Fluent模擬，得到工作面和采空區瓦斯分布截面圖(Z=1)，見圖3.

由圖3可知，沿走向(x軸)方向，在采空區0～50 m，工作面進風側采空區瓦斯濃度低且濃度變化梯度小。從圖3a)可知，當工作面推進30 m時，由于采空區瓦斯涌出量少，漏風嚴重，采空區內最高瓦斯濃度為3.2%. 從圖3b)可知，當工作面推進80 m時，由于工作面配風量較大，且該部分主要處于采空區的自然堆積區與載荷影響區范圍內，孔隙率較大，漏風較為嚴重，且采空區瓦斯涌出總量相對較少，使得瓦斯濃度達到最高穩定濃度集中在靠近回風巷一側。從圖3c)可知，工作面推進到80～130 m時，采空區的壓實穩定區瓦斯濃度達到了50%以上，最高瓦斯濃度達到84%以上，采空區漏風強度相對較大，在靠近工作面回風側的采空區由于漏風原因，瓦斯濃度急劇上升。