回采工作面采空區插管抽采參數優化

潘吉成

(神東煤炭集團布爾臺煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

布爾臺煤礦42上煤層二盤區綜采工作面主要采用“偏Y型”通風方式，并在采空區插管抽采回風隅角瓦斯。對于生產強度較大、工作面礦壓顯現明顯所導致的上隅角和采空區瓦斯異常集中問題，依靠降低綜放工作面生產效率解決具有很大難度[1-4]。雖然布爾臺煤礦不需要建立地面的永久抽采系統或井下的臨時抽采系統，但曾多次出現上隅角瓦斯超限，造成斷電停產，威脅人員的生命安全，因此，上隅角和采空區的瓦斯治理是重中之重[5]。布爾臺煤礦利用聯絡巷插管或煤柱大直徑鉆孔橋接的局部抽采方法，在42202輔運順槽，通過聯絡巷向42201主運順槽施工大直徑鉆孔。隨著采煤活動的延續，封閉聯巷，在上隅角后部采空區形成一個負壓區域，從而改變瓦斯運移的方向，避免出現瓦斯積聚的情況[6-9]。為優化回采工作面采空區插管參數，基于布爾臺煤礦42201綜放面現有的瓦斯治理措施(采空區插管)進行FLUENT模擬分析，分析不同抽采條件下采空區瓦斯在三維空間中的分布規律并進行分析，進而確定采空區插管的合理抽采參數。

1 模型建立及參數

1.1 模型建立

模擬假設：布爾臺煤礦42201綜放工作面采用“偏Y型”通風方式，結合現場實際情況對工作面、采空區和裂隙帶作如下假設。①文中研究鄰近層卸壓瓦斯的運移規律，需要考慮本煤層遺煤及煤壁的瓦斯釋放情況；②忽略礦井周期來壓等特殊情況，只考慮進風巷、回風巷及采空區漏風等對采空區內部瓦斯流場的影響；③把現場斷面不規整的膠帶機運輸順槽、輔助運輸順槽和綜放工作面視為一長方體，人員、設備等不予以考慮，考慮膠帶機運輸順槽平均截面積為18.8 m2，輔助運輸順槽平均截面積為18.5 m2，因此設定膠帶機運輸順槽、輔助運輸順槽尺寸為40 m×4.5 m×4 m(長×寬×高)，工作面尺寸320 m×4.5 m×4 m(長×寬×高)；采空區320 m×200 m(長×寬)，頂板以上高60 m，實際計算冒落帶高度為16.25 m，裂隙帶高度為44.2 m，包括裂隙帶的全部；④邊界條件均采用壁面條件，并考慮重力的作用；⑤根據冒落帶及裂隙帶各區域滲透率的分布，采用公式(1)編制UDF[10-13]。

Kp=2×10-5e19.23φ

(1)

模型網格劃分：根據上述假設，利用Gambit建立了采場工作面及采空區的模型[14-16]，并劃分30多萬個網格，如圖1、2所示。

圖1 采場模型效果圖

圖2 采場模型網格劃分

1.2 模型主要參數的設定

采空區內多孔介質參數的設定：模擬過程中，通過建立多孔介質模型模擬冒落帶及裂隙帶的孔隙與裂隙。FLUENT對多孔介質的設定主要通過設定粘性阻力系數(Viscous Resistance)、慣性阻力系數(Inertial Resistance)和孔隙率(Porosity)來限制。考慮到工作面向采空區漏風很少，而且瓦斯涌出速度較慢，整個采空區流場速度不大，基本屬于層流區域，因而慣性阻力對結果影響極小，慣性阻力系數不予考慮；孔隙率可以通過相似模型試驗和現場觀測確定；粘性阻力系數是設定多孔介質的重要參數，它是滲透率的倒數，采空區現場的滲透率很難測出，而且由于地質狀況、構造應力的復雜性，人為因素的不確定性，要想得到各區域滲透率的精確值還需要做進一步的科學研究，文中在設定該系數時考慮如下原則，使取值最大限度接近現場值。采用文獻中運用真三軸滲透儀進行滲透實驗得出的結果，對滲透率與孔隙率的變化關系曲線擬合得到的采空區多孔介質滲透率和孔隙率的指數關系式，編制UDF。

采空區瓦斯質量源項的確定：依據模型建立時的假設，本次FLUENT模擬瓦斯涌出源只考慮本煤層瓦斯。根據工作面實際情況及數值模擬可知，42201綜放工作面采空區瓦斯涌出源項主要為本煤層遺煤以及煤壁和落煤。由單元法實測的數據分析可知，從采空區涌出的瓦斯源項為0.15 m3/min，其中設冒落帶為0.1 m3/min，裂隙帶為0.05 m3/min；煤壁及落煤的瓦斯涌出量是1.7 m3/min。文中把模型冒落帶底部作為本煤層煤壁及落煤瓦斯源，采用UDF編程實現。

2 數值模擬結果分析

2.1 數值模擬可行性驗證

現選取2018年1月4日42201綜放工作面瓦斯抽采方式及抽采參數為基礎數據，代入上述模型中，驗證模型的可行性。

工程參數：42201綜放工作面抽放口位置20聯巷距綜放工作面回風隅角32 m；下個抽放口26聯巷距綜放工作面回風隅角64 m，未進采空區(抽放口距回風隅角32 m)。抽采負壓0.02 MPa，混合流量258.49 m3/min，平均純瓦斯流量2.1 m3/min，抽采瓦斯濃度0.97%，上隅角瓦斯濃度0.17%(全天平均值)，純瓦斯量1 203.53 m3(早班)，1 153.90 m3(中班)，657.60 m3(晚班)。將上述數據帶入模型，進行數值計算，結果如圖3所示。

圖3 現有抽采方式下采場瓦斯濃度分布

可行性分析：從圖3(a)、(b)可以看出，上隅角瓦斯濃度約為0.15%，抽采濃度約為1.1%，則抽采純瓦斯量為2.8 m3/min；實際綜放工作面上隅角瓦斯濃度為0.17%，抽采濃度為0.95%，平均純瓦斯流量2.1 m3/min。模擬結果與實際抽采參數接近，故該模型具有一定參考價值。

2.2 采場瓦斯分布規律

基于現有抽采方式下瓦斯濃度分布情況，進行數值模擬，圖4為采場瓦斯在三維空間里的分布規律。整體來看，瓦斯濃度從下隅角到上隅角逐漸增加，隨采空區濃度的增加而增加，隨采空區高度的增加而增加，在采空區頂部裂隙帶內達到最大值。

圖4 采場瓦斯濃度分布圖

水平面方向上瓦斯濃度變化趨勢：從z=2 m水平方向(圖4(a)、(b))，沿工作面走向瓦斯從工作面向采空區深部濃度逐漸升高，距離工作面越遠瓦斯濃度越高，瓦斯濃度等值線在上隅角處聚集。從工作面中部開始，瓦斯開始聚集，到達工作面3/4位置時聚集明顯，從整個平面方向上來看，基本遵循瓦斯濃度隨著采空區深度方向和工作面走向方向上降低的趨勢。在z=10 m、20 m(圖4(c)、(d))高度，瓦斯濃度在上隅角及采空區深部達到最大，而上進風巷處最小。從整個平面方向上來看，瓦斯濃度有兩個極大值點和一個極小值點。在z=40 m(圖4(e))高度，瓦斯濃度在整個高度均超過4%，說明此時采空區漏風已不足以將產生瓦斯移出采空區。

垂直方向瓦斯變化趨勢：從圖4(g)可以看出，瓦斯濃度等值線沿工作面走向上逐漸降低，這是由于在下隅角瓦斯濃度由于受到新鮮進風流的影響瓦斯濃度在很大程度上被稀釋，而在上隅角由于采空區回風流的影響，上隅角的瓦斯濃度較大。另外，沿工作面方面，工作面中部位置瓦斯濃度梯度較小，而上下隅角的瓦斯濃度梯度較大，也即，工作面中部位置瓦斯濃度的變化較為緩慢，而上下隅角的瓦斯濃度變化比較迅速。這是由于上下隅角的風流速度較大，而工作面中部位置的風流速度較小引起的。從圖4(h)可以看出，瓦斯濃度等值線沿采空區深度方向上逐漸降低，而且其下降趨勢為非線性變化，說明新鮮風流進入采空區的速度隨著采空區深度的增加而迅速下降，呈非線性變化。

3 采空區瓦斯綜合治理技術模擬

通過FLUENT模擬鄰近層卸壓瓦斯的運移富集規律，得到瓦斯主要富集在采空區上隅角及采空區深部。結合布爾臺煤礦現有瓦斯抽采技術，運用FLUENT模擬不同插管間距、負壓條件下的采空區氣體運移規律和瓦斯抽采效果，優化上隅角插管抽放方案，控制采空區瓦斯濃度，以減少采空區瓦斯涌出導致上隅角瓦斯超限造成的危害。

3.1 插管間距對采空區瓦斯運移規律的影響

模擬結果：工作面回采時，采空區插管的入口將距離工作面越來越遠。當插管入口距離工作面較遠時，埋管抽采對上隅角的影響較小，因此不能很好地解決上隅角處瓦斯濃度過高問題。而當插管入口離工作面太近時，因為采空區漏風，此處的瓦斯濃度降低，埋管的抽采效率不高。所以，合適的步距對插管抽采效率至關重要。根據FLUENT模擬軟件，考察在相同抽采負壓(20 kPa)下，埋設步距對釆空區瓦斯運移規律的影響，模擬結果如圖5所示。

結果分析：插管間距在20 m左右時，抽采效果欠佳。此時抽采口距離工作面較近，在靠近回風巷一側，采空區向工作面漏風，此區域內的瓦斯被風流稀釋，因此瓦斯濃度較低，抽采效果不佳。插管間距在40 m左右時，上隅角瓦斯濃度下降明顯，抽采效果較好；當插管入口位置離工作面較遠時，由于此時漏風效應并不明顯，此處的瓦斯被插管有效抽出，從而流向工作面上隅角的瓦斯減少，抽采效果較佳。插管間距在60 m左右時，上隅角瓦斯濃度雖然降低，但開始出現局部聚集，由于此時抽采口距離工作面較遠，對上隅角瓦斯的治理效果一般。插管間距在75 m左右時，雖然插管內瓦斯濃度較高，但由于此時抽采口距離工作面較遠，對上隅角瓦斯的治理效果不明顯。通過分析可知，當采空區插管抽采負壓一定時，插管入口距離工作面為40 m時的抽采效果最佳，但不應大于60 m。

圖5 插管間距不同時采空區瓦斯分布圖

3.2 抽采負壓對采空區瓦斯運移規律的影響

模擬結果：與插管間距相同，抽采負壓也是影響埋管抽采效果的關鍵性因素，當抽采負壓較小時，埋管不能有效對瓦斯進行抽采，埋管內瓦斯濃度也比較低，達不到理想的治理效果。當負壓過大時，隨之而來采空區漏風也增加，抽采效率不高，所以抽采效果并不能達到預期。此外，過大的抽采負壓不僅有可能引發采空區自然發火，也會造成能源上的浪費，在經濟上并不可行。因此，選擇合適的抽采負壓對于埋管的治理效果也十分重要。使用FLUENT軟件對處在相同位置(40 m)的插管進行不同抽采負壓狀態(10 kPa、20 kPa，30 kPa)的模擬，模擬結果如圖6所示。

結果分析：從圖6中可以看出，當抽采負壓為10 kPa時，上隅角處瓦斯得到有效解決，當抽采負壓為20 kPa時，抽采效果最佳。當抽采負壓增大至30 kPa時，埋管瓦斯抽采效果并沒有進一步提高，反而有所下降，這是因為過高的抽采負壓造成工作面向采空區漏風明顯，從而使得抽采效果降低。因此，為了達到最佳的抽采效果，抽采負壓定為10～20 kPa較合理。

圖6 抽采負壓不同時采空區瓦斯分布圖

3.3 插管深度對采空區瓦斯運移規律的影響分析

模擬結果：結合上述分析情況，取抽采負壓為20 kPa，插管間距為40 m，對42201綜放工作面上隅角插管抽采深度(穿過煤壁后的深度)分別為1 m、3 m時工作面及采空區瓦斯濃度進行數值模擬。工作面及采空區瓦斯濃度分布，如圖7所示。

圖7 插管深度不同時采空區瓦斯分布圖

結果分析：由圖7可見，隨著插管深度的增加，工作面上隅角瓦斯濃度逐漸降低，這主要是因為當插管深度逐漸增加時，抽采負壓引導形成的漏風回路距離工作面上隅角就越遠，涌出至上隅角的瓦斯就越少，因而上隅角瓦斯濃度越低。根據數值模擬結果，上隅角插管可以有效抽采上隅角瓦斯，降低上隅角瓦斯濃度，且插管深度越深，上隅角瓦斯濃度越低。建議現場插管深度為1～3 m，但不低于1 m。但結合布爾臺煤礦實際情況，應維持現有插管深度不變。

3.4 插管管徑對采空區瓦斯運移規律的影響分析

模擬結果：結合上述分析情況，取抽采負壓為20 kPa，插管間距為60 m，對42201工作面上隅角插管管徑分別為350 mm、400 mm時工作面及采空區瓦斯濃度進行數值模擬，結果如圖8所示。

圖8 抽采管徑不同時采空區瓦斯分布圖

結果分析：由圖8可知，插管管徑對瓦斯抽采半徑影響較大，當抽采時間負壓一定時，管徑越大，瓦斯抽采量越高，抽采效果越好。但管徑的取值也不是越大越好，過度增加管徑還會影響瓦斯抽采，管徑越大，煤壁暴露面越大，瓦斯涌出也會增加，且對封孔質量要求較高，若封孔效果不好，會增加采空區漏風。結合上述分析及布爾臺煤礦實際情況，選取插管管徑350 mm。

4 結論

(1)當采空區插管抽采負壓一定時，當抽放口距回風隅角距離在20～60 m范圍內時，抽采效果隨抽放口距工作面距離增加而增加，當達到一定值時，抽采效果隨抽放口距工作面距離增加而下降。結合布爾臺煤礦實際情況，插管間距布置為60 m，則隨著工作面的推進，抽放口距工作面的距離則為20～80 m。

(2)對于插管抽采采空區瓦斯而言，在低壓階段，抽采純流量隨抽采負壓的增大而增大；當抽采負壓增至一定值后，抽采負壓已經不是影響抽采純量的關鍵因素。因此，建議插管抽采負壓保持在10～20 kPa。

(3)處理工作面上隅角瓦斯，并非工作面風量越大越有效，風量增加初期，上隅角瓦斯會有一定程度的降低，但當風量超過某一數值時，采空區域漏風風壓隨之增大，漏風風流反而會將采空區瓦斯帶入上隅角。結合理論分析與數值模擬，得出當主輔進風比為1.5∶1～3∶1時，較為合理。