淺談“U+高抽巷”通風系統下采空區瓦斯分布規律

王志強

（潞安環能股份有限公司王莊煤礦，山西 長治 046031）

煤礦瓦斯是制約礦井安全生產的主要因素之一，而隨著礦井開采深度的不斷增加，煤層中瓦斯含量呈非線性遞增趨勢，瓦斯治理難度和瓦斯威脅強度不斷提升。煤層開采后，上覆巖層形成采動裂隙，形成卸壓瓦斯的儲存空間和流動通道，而工作面采用“U+高抽巷”通風系統，高抽巷抽采負壓會促使工作面、采空區和高抽巷間的漏風通道的形成，直接影響到采空區原有瓦斯流場的分布。為了后期布置鉆孔輔助“U+高抽巷”瓦斯抽排，必須對高抽巷影響下的裂隙帶瓦斯運移規律、采空區瓦斯分布規律等關鍵問題進行探討，以便確定采空區瓦斯積聚區域。本文以王莊煤礦9105工作面為例，通過數值模擬的方法對采空區瓦斯分布規律進行模擬分析，以便為該區域瓦斯治理提供依據，也為王莊煤礦類似條件下瓦斯抽排提供經驗和科學指導。

1 研究區概況

9105工作面位于王莊煤礦后備區，是王莊煤礦首個超大型回采工作面，設計回采長度3432m，切眼長度340m，工作面標高377～522m，平均煤厚6.5m，煤層傾角2～12°，采用綜采放頂煤一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板。按照已有瓦斯含量與埋深關系曲線推斷，該工作面屬于瓦斯風化帶，相對瓦斯涌出量為9.43m3/t，絕對瓦斯涌出量為37.50m3/min，屬高瓦斯工作面，無瓦斯、CO2突出危險傾向，煤層正常涌水量30m3/h。通過已有采區研究結果計算，工作面回采期間形成的冒落帶最大高度范圍17.55～23.4m，裂隙帶最大高度范圍為49.48～60.68m。根據9105工作面實際情況進行預測，在日產量15000t生產條件下，采空區絕對瓦斯涌出量約為28.33m3/min，擬采用“U+高抽巷”通風方式，以及布置后期輔助鉆孔對采空區瓦斯進行抽排，高抽巷層位選擇距離煤層頂板10～15m垂距，距離回風巷12～16m水平距離。

2 數值模型構建

本文基于FLUENT軟件對工作面采動過程中瓦斯運移及分布進行模擬分析。按照9105工作面實際情況，忽略頂板周期來壓等特殊情況，僅考慮進風巷、回風巷、高抽巷和采空區漏風對采動裂隙場瓦斯濃度的分布影響。模型構建如下：（1）進風、回風巷高度為3m，長為25m，寬為5m；工作面的長度為340m，高為3m，寬為4m；（2）采空區長為300m，寬為4m，高為3～50m；（3）高抽巷高3m，寬3m，與煤層頂板距15m，與回風巷平距16m；（4）根據采空區碎脹程度劃分為15個區域；（5）用 Gambit 處理器建立兩個模型，每個模型均采用 TGrid 進風網格的劃分，每個模型劃分的單元格為 78.4 萬個。模擬參數選取：（1）按照采空區碎脹程度分區，確定孔隙率、滲透率參數，見表1；（2）工作面煤壁的瓦斯涌出量為 11m3/min，采空區遺煤和鄰近層瓦斯涌出量為 42m3/min；（3）進風巷設置為風流進口，入口風速3m/s，瓦斯濃度為 0，出口設置為自由出口，整個采空區設置為多空介質，其他固體邊界設置為墻壁。

表1 9105工作面不同區域孔隙率、滲透率

3 采空區瓦斯分布規律探討

根據9105工作面高抽巷的布置設計，通過數值模擬得出高抽巷影響下采空區的瓦斯流向，其中，X軸代表采空區走向，Y軸代表距工作面位置距離，Z軸代表相對于煤層底板的采空區高度距離。

3.1 采空區走向方向上瓦斯分布規律

基于數值模擬對采空區走向方向上瓦斯分布規律進行分析，見圖1。距離煤層底板不同的采空區高度，采空區瓦斯濃度都隨采空區走向距離、距離工作面位置的增加而呈遞增趨勢。而在高抽巷抽排采空區上隅角瓦斯的作用下，采空區回風側（X≤50m，Y≥200m）瓦斯濃度相對較低。對比不同采空區高度（Z=5m、Z=25m）的瓦斯分布，可以看出：

（1）在采空區回風側（X≤50m ，Y≥200m），距離底板高度為5m的采空區瓦斯濃度高于距離底板高度為25m的采空區。以0.05瓦斯濃度等值線來說，5m和25m高度0.05等值線距離回風巷分別為38m和47m。

（2）在采空區后段，采空區高度為Z=5m瓦斯濃度低于 Z=25m的瓦斯濃度。以瓦斯濃度為80%等值線為例，Z=5m處0.8等值線距離為267m，Z=25m處80%等值線距離為195m。

綜合分析，由于設計高抽巷位置距離煤層底板為15m，在不考慮底板位移情況下，高抽巷與Z=25m采空區層面垂直距離更近（約為3.5m），抽采效果更為明顯。而隨著采空區距離工作面距離增加，瓦斯上浮效應作用更強，雖然在高抽巷作用下，采空區瓦斯濃度有所下降，但上浮作用大于高抽巷瓦斯抽采能力，致使采空區垂高越大，瓦斯濃度越大，在采空區上部形成高濃度瓦斯積聚區。

圖1 采空區沿走向（X軸）方向不同垂高處瓦斯分布規律

3.2 采空區高度方向上瓦斯分布規律

沿Y軸方向，選取Y=5m、Y=170m 和Y=330m 三個截面上的瓦斯分布，分別代表采空區回風測、中部和后部，見圖2。分析瓦斯分布曲線可以看出：

圖2 工作面不同位置采空區方向瓦斯分布規律

（1）采空區瓦斯濃度隨著距回風巷距離的增大而逐漸增大，并且出現明顯的分層現象。對于瓦斯濃度為0.8等值線來說，Y=5m、Y=170m和Y=330m處0.8等值線距離進風巷距離分別為268m、190m和136m，而隨著采空區高度的上升，采空區瓦斯濃度更為積聚。即采空區瓦斯隨著距回風巷距離的增大，不斷向采空區上隅角位置積聚，而隨著距工作面距離的增大，聚集效應更為明顯。

（2）采空區回風側Y=5m、中部Y=170m的瓦斯濃度隨著采空區高度的上升呈現先降低后增加的規律，而在采空區后部Y=330m處，采空區瓦斯濃度幾乎呈現不斷上升趨勢。

可見，在高抽巷作用下，采空區靠近回風側仍然存在高濃度瓦斯積聚區域，而隨著采空區高度的增加，這種積聚效應尤為明顯。所以，為了更好的進行瓦斯抽排，降低采空區瓦斯濃度，可以采取向采空區回風側裂隙帶內施工輔助抽采鉆孔。

4 結論

采用“U+高抽巷”瓦斯抽放方法，降低了采空區瓦斯濃度，減少了采空區向上隅角的瓦斯涌出量，從而降低了上隅角瓦斯濃度。在采空區回風側靠近高抽巷位置，瓦斯抽排效果更好，而隨著采空區與高抽巷距離的不斷增加，瓦斯上浮效應作用大于高抽巷抽排作用，造成瓦斯積聚，形成高瓦斯區域。因此可以在采空區回風側中上部、采空區后部施工輔助抽采鉆孔，從而達到抽放采空區高濃度瓦斯的目的。