2111采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律探究與防治

張鵬飛

（霍州煤電集團(tuán)晉北煤業(yè)有限公司通風(fēng)科，山西 霍州 035100）

1 工程背景

近年來，綜合機(jī)械化放頂采煤法普遍應(yīng)用于各個(gè)煤礦，在神華、充州、潞安、晉城、陽泉等集團(tuán)都獲得了推廣與應(yīng)用，煤礦的產(chǎn)量、采煤效率都獲得了迅猛提升，大大減少了煤礦的經(jīng)濟(jì)支出，但這種方法冒落高度大，采空區(qū)經(jīng)常會(huì)遺落煤塊，上隅角瓦斯積聚以及回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛榷紩?huì)上升，給工作面回采埋下了安全隱患，煤炭自然發(fā)火危險(xiǎn)性也會(huì)隨之增大，極易造成瓦斯爆炸，而瓦斯爆炸[1]會(huì)生成沖擊波，往往會(huì)造成不可逆的人員傷亡以及巨大經(jīng)濟(jì)損失，而且爆炸會(huì)產(chǎn)生大量有毒氣體，造成二次危害，瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)仍然是事故產(chǎn)生的根本原因，而要對其進(jìn)行治理，普通的抽采方式往往治標(biāo)不治本，因此本文重點(diǎn)研究采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，可以為后續(xù)的抽采方式提供有效的依據(jù)，已知2111工作面運(yùn)輸順槽進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)順槽回風(fēng)，整體上為U型通風(fēng)，在回采時(shí)工作面瓦斯檢測儀器經(jīng)常出現(xiàn)超限問題，檢測顯示上隅角瓦斯?jié)舛冗_(dá)到13.1%，礦方理想方案為Y型通風(fēng)方式以及瓦斯抽采，但為了確定瓦斯抽采的地帶，必須掌握2111工作面后方采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，并為后續(xù)的針對性治理提供依據(jù)。

2 瓦斯運(yùn)移特征分析

2.1 模型建立

礦方為了對2111工作面的瓦斯運(yùn)移規(guī)律以及上隅角瓦斯積聚濃度進(jìn)行合理性的探究，經(jīng)過分析后決定采用FLUENT軟件，工作面在回采后自然垮落形成采空區(qū)，由于自然垮落沒有規(guī)律性，采空區(qū)不可避免的生成間隙，另外采空區(qū)內(nèi)氣體受到外界干擾小，可以近似為穩(wěn)定流動(dòng)，模型設(shè)置采用壓入式U型通風(fēng)，模型俯視圖由左至右分別設(shè)置為采空區(qū)、自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)、壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)，其中上部為回風(fēng)巷、下部為進(jìn)風(fēng)巷，工作面長度為208m，進(jìn)回風(fēng)巷寬度為3m，模型高度為38m，自然堆積區(qū)長×寬=208m×20m，載荷影響區(qū)長×寬=208m×100m，壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)=長×寬=208m×240m，其中模型主視圖上部為采動(dòng)斷裂帶，下部為垮落帶，邊界條件的設(shè)定主要考慮進(jìn)口風(fēng)速和出口壓力，數(shù)據(jù)以現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)為主，進(jìn)口風(fēng)速取2m/s，多孔介質(zhì)流動(dòng)選擇PRESTO格式（壓強(qiáng)）。模擬主視圖及俯視圖見圖1，

圖1 U型通風(fēng)數(shù)值模型圖

2.2 模擬結(jié)果分析

為了對模擬結(jié)果有更直觀的標(biāo)識(shí)，在建立模型的同時(shí)建立了坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在回風(fēng)巷與工作面交界處，即上隅角瓦斯積聚處，X軸正方向?yàn)樯嫌缃侵吝M(jìn)風(fēng)巷方向，Y軸正方向?yàn)樯嫌缃茄夭煽諈^(qū)方向延伸，Z軸正方向?yàn)樯嫌缃侵撩簩禹敯逑蛏洗怪毖由欤⒆鴺?biāo)軸以后對采空區(qū)X方向上不同位置處瓦斯?jié)舛茸龃怪迸cX軸的切片得到圖2，對采空區(qū)Y方向上不同位置瓦斯?jié)舛茸鞔怪盰軸的切片得到圖3，對采空區(qū)Z軸方向上不同高度瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行模擬后得到曲線圖4（由于篇幅所限，這里僅列出Y=300m時(shí)Z軸方向上曲線圖）。

圖2 采空區(qū)X方向上瓦斯?jié)舛确植妓浇孛鎴D

通過觀察圖2中采空區(qū)X方向上瓦斯?jié)舛确植紙D，從原點(diǎn)方向沿X軸正方向，將圖中三幅切片分別定為上部采空區(qū)、中部采空區(qū)、下部采空區(qū)，可以看出圖中左側(cè)區(qū)域即從坐標(biāo)原點(diǎn)向進(jìn)風(fēng)巷道延伸方向，瓦斯?jié)舛仁窃谙陆档模@是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)巷風(fēng)流大，瓦斯?jié)舛认鄬^低，而且隨著新鮮風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷，漏風(fēng)嚴(yán)重并進(jìn)一步導(dǎo)致了坐標(biāo)原點(diǎn)處（上隅角）瓦斯積聚，觀察圖中中部區(qū)域，可以看出上部采空區(qū)中自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)的瓦斯?jié)舛榷即笥谥胁坎煽諈^(qū)以及下部采空區(qū)，同樣地觀察圖中右部區(qū)域，上、中、下部采空區(qū)瓦斯?jié)舛榷汲尸F(xiàn)集中化現(xiàn)象，但上部采空區(qū)壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)瓦斯?jié)舛热愿哂谥小⑾虏煽諈^(qū)。

圖3 采空區(qū)Y方向上瓦斯?jié)舛确植妓浇孛鎴D

通過觀察圖3可以看出采空區(qū)Y方向上，在圖中左側(cè)區(qū)域可以看出靠近坐標(biāo)原點(diǎn)處瓦斯?jié)舛认鄬^低，沿Y軸正方向向采空區(qū)延伸可以看出瓦斯?jié)舛仁窃谥饾u增大的，另外隨著Y坐標(biāo)的不斷增大，瓦斯從上部采空區(qū)逐漸擴(kuò)散至中、下采空區(qū)，總體呈現(xiàn)出上部采空區(qū)瓦斯?jié)舛却笥谥小⑾虏煽諈^(qū)瓦斯?jié)舛龋C上所述：采空區(qū)與回采面之間距離的增加導(dǎo)致瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)遞升狀態(tài)，即瓦斯?jié)舛扰c二者間距離成正比關(guān)系，距離回采面越近，瓦斯?jié)舛仍礁摺?/p>

圖4 Y=300m處采空區(qū)Z軸方向上瓦斯?jié)舛壬Ⅻc(diǎn)圖

觀察圖4散點(diǎn)圖可以明顯看出隨著高度的增加，瓦斯?jié)舛仁窃谶f升的，整體速率呈現(xiàn)出由快速增長轉(zhuǎn)至穩(wěn)定增長，這是因?yàn)樵诨夭赏瓿珊螅煽諈^(qū)直接頂板的垮落導(dǎo)致瓦斯受到擠壓，而瓦斯在采空區(qū)內(nèi)是流動(dòng)狀態(tài)，能夠透過巖石之間裂隙[2]向上浮動(dòng)，而后續(xù)采空區(qū)壓實(shí)以后上覆巖體也趨于穩(wěn)定，這也就導(dǎo)致了后續(xù)瓦斯?jié)舛仍鲩L速率變緩。

綜上所述：在X方向上，從進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷的途中，隨著采空區(qū)的逸散以及漏風(fēng)量的增加，工作面瓦斯?jié)舛仁窃谠黾拥模绕浼性谏嫌缃沁_(dá)到了13.5%，而采空區(qū)X方向上瓦斯也呈現(xiàn)出了同樣的規(guī)律，從進(jìn)風(fēng)方向到回風(fēng)方向上，瓦斯?jié)舛戎饾u增加但其增加程度是高于工作面的，最大瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)在壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，高達(dá)90%；在Y方向上瓦斯?jié)舛扰c采空區(qū)與回采面之間距離成正比關(guān)系；在Z方向上瓦斯?jié)舛韧瑯优c垮落高度成正比關(guān)系，即高度增加，瓦斯?jié)舛仍黾樱俾噬铣尸F(xiàn)出由快至慢并逐漸穩(wěn)定的狀態(tài)。

3 瓦斯治理

3.1 通風(fēng)方式的改變[3]

已知Y型通風(fēng)相對U型通風(fēng)方式來說具有上隅角瓦斯?jié)舛刃〉奶攸c(diǎn)，為此2113工作面可以采用沿空留巷方式對2111工作面的通風(fēng)方式進(jìn)行改變，選用較為合理的Y型通風(fēng)方式即2111工作面運(yùn)輸巷與運(yùn)料巷兩巷進(jìn)風(fēng)，2113沿空留巷段回風(fēng)，其中通風(fēng)線路圖見圖5，并適當(dāng)增大風(fēng)速，最大不能超過6m/s，由原先的2m/s增大為3.5m/s，但風(fēng)速增加也會(huì)導(dǎo)致漏風(fēng)增加，不能從根本上解決問題，因此需要對采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采。

圖5 Y型通風(fēng)方式布置圖

3.2 瓦斯抽采[4]

礦方為了對采空區(qū)瓦斯的治理方式進(jìn)行完善，礦方?jīng)Q定對采空區(qū)內(nèi)瓦斯進(jìn)行抽采，而根據(jù)第二節(jié)內(nèi)容可以知道瓦斯多積聚在壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)，而且瓦斯容易向上部逸散，因此礦方采用頂板高位鉆孔抽采技術(shù)治理采空區(qū)，共布置4組鉆場，鉆機(jī)采用ZDY6000LD液壓鉆機(jī)，最大鉆探長度為1000m，鉆場之間距離為40m，每組鉆場設(shè)置8個(gè)鉆孔，各鉆孔之間間距為40mm，鉆孔直徑為94mm，鉆孔長度均在120m以上，抽采詳細(xì)可見圖6、圖7。

圖6 鉆場布置平面圖

圖7 鉆孔布置剖面圖

3.3 瓦斯治理效果

礦方在實(shí)施了高位鉆孔抽采技術(shù)后，工作面回采期間瓦斯報(bào)警器均無出現(xiàn)警示，但為了對瓦斯抽采方案的有效性有更直觀的感受，礦方在治理期間對2111工作面不同地點(diǎn)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了觀測，本次觀測貫穿整個(gè)瓦斯抽采過程，共持續(xù)了60天，抽采量達(dá)到了并將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析后得到了圖8瓦斯?jié)舛惹€圖。

圖8 瓦斯?jié)舛惹€圖

觀察圖8中三曲線瓦斯?jié)舛确逯禐?.6%左右，并且在允許濃度范圍之內(nèi)，表明所采取措施較為有效的解決了2111工作面的現(xiàn)場問題，而且觀察三條曲線中工作面瓦斯?jié)舛仍诔椴珊笥辛嗣黠@的降低，整體穩(wěn)定在0.4%，上隅角瓦斯?jié)舛日w上穩(wěn)定在0.5%左右，而回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛日w穩(wěn)定在0.3%～0.4%之間，為煤礦安全提供了保障。

4 結(jié) 論

已知2111工作面原先通風(fēng)方式為壓入式U型通風(fēng)，在工作面回采過程中瓦斯檢測儀檢測到工作面上隅角瓦斯?jié)舛冗_(dá)到了13.1%，給煤礦安全生產(chǎn)造成了隱患，為了保證工作面的安全回采并有效的降低瓦斯超限的問題，礦方采用Fluent軟件對整個(gè)回采面建立了模型，數(shù)值模擬后得出瓦斯積聚在壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)即回風(fēng)巷后方采空區(qū)，而且瓦斯容易逸散至采空區(qū)上部斷裂帶，為此礦方采用了Y型通風(fēng)+頂板高位鉆孔瓦斯抽采對2111工作面進(jìn)行了治理，抽采后根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測得出工作面瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.4%左右，上隅角瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.5%左右，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.3%～0.4%之間，在瓦斯?jié)舛鹊玫搅溯^為有效的控制，為煤礦生產(chǎn)提供了安全保障。