阜生煤業1106綜放面采空區埋管抽采技術

（山西潞安集團左權阜生煤業有限公司，山西 左權 032600）

1 工程概況

山西潞安集團左權阜生煤業有限公司位于山西省左權縣城北的劉家莊村南，行政區劃屬左權縣寒王鄉，井田面積7.479 km2，開采15#煤層。礦井生產能力為120萬t/a，為立井開拓，公司已建立地面永久瓦斯抽放系統，實現了高、低負壓分源抽采。即將投入生產的1106綜合機械化放頂煤工作面位于一采區中部，1106工作面布置有1106進風巷、1106回風巷、1106高抽巷。采用傾斜長壁后退式綜合機械化放頂煤開采方法，通風方式為U型通風；1106工作面開采的15號煤層平均厚度在5.9m，煤層傾角3°～14°，1106工作面絕對瓦斯涌出量32.7m3/min。根據以往工作面預抽瓦斯的實測數據和實踐經驗，1106工作面高抽巷抽采條件下，由于煤層厚度變化較大，采空區遺煤量不穩定，僅通過高抽巷抽采不能保障上隅角瓦斯穩定在較低水平，易引起瓦斯超限影響工作面的安全高效生產，故設計在1106工作面采用采空區埋管抽采技術。為確保采空區埋管抽采取得良好的治理效果展開相關研究。

2 埋管抽采對采空區瓦斯流場影響規律模擬分析

采空區埋管抽采是解決上隅角瓦斯超限問題切實有效的一種措施[1]，該方法通過在回風巷底板鋪設大直徑鋼管，鋼管上聯結多個三通，三通上部為抽采口，工作面推過抽采口后，當抽采口進入采空區適當位置，打開閥門開始抽采采空區瓦斯，待下個三通進入采空區，依次打開下個抽放口，始終在合理的位置進行瓦斯抽采。

2.1 建立數值模型

為驗證阜生煤業1106工作面通過采空區埋管進一步降低上隅角瓦斯的可行性，通過建立采空區預埋立管抽采的數值模型進行分析，掌握采空區瓦斯運移規律，探究預埋立管的合理間距。根據阜生煤業1106工作面具體的地質條件和瓦斯抽采現狀，采用Ansys數值軟件中的Geometry和Mesh模塊建立物理模型[2-3]，通過Fluent進行求解，通過Fluent進行材料、邊界條件、控制參數的設置，迭代計算后，通過CFD-post對結果進行可視化處理，直觀的掌握采空區瓦斯的分布規律。將1106工作面、進風巷和回風巷簡化為斷面尺寸寬×高=4.8 m×3.2m的長方體，工作面長度為220m，采空區長度為200m，進風巷、回風巷長度為10m，高抽巷距工作面頂板35m，距回風巷15m，斷面寬×高=4.5 m×3.0m，采空區立管抽采孔簡化為邊長為0.5m的正方形管道，抽采口距煤層頂板2.3m，采空區中垮落帶高度為15m，裂隙帶發育高度為45m，根據“o”形圈理論，采空區距離邊界10m范圍內為自然堆積區，10～25 m為載荷影響區，距離邊界25 m以上的區域為重新壓實區，采空區采用多孔介質模型，工作面和進風巷、回風巷為自由流動區域，采空區共劃分為5種多孔介質模型。具體模型見圖1。

圖1 三維數值模型

2.2 預埋立管合理參數模擬分析

為確定預埋立管合理的間距，參考相鄰礦井埋管抽采的實例[4-5]，分別設計埋管間距為15m、20m、25m，抽采負壓為25 kPa，采用Fluent進行模擬瓦斯抽采，得到瓦斯濃度分布見圖2。

圖2 瓦斯濃度分布數值模擬結果

比較分析不同埋管間距條件下瓦斯分布可知，埋管間距為15 m條件下，抽采口較集中，局部產生較大抽采負壓，工作面距回風巷0～60m范圍內瓦斯緩慢下降，但由于各抽采口有效抽采半徑相重合，立管間風流互相影響形成渦流，對采空區瓦斯的抽采深度和范圍較小，負壓作用未達到最大。埋管間距增大至20 m后，采空區內負壓均勻分布，工作面瓦斯濃度隨著與回風巷距離的增大逐漸增大，整個工作面及上隅角瓦斯濃度較低，抽采效果良好。埋管間距進一步增大至25m，此時抽采瓦斯濃度隨明顯增大，但工作面及上隅角瓦斯濃度降低不明顯。綜上模擬分析結果并結合實際情況，確定埋管最佳間距為20 m。

2.3 預埋立管抽采效果分析

圖3 埋管高度水平剖面瓦斯濃度分布情況

圖3所示結果為預埋立管采后采空區瓦斯分布情況，圖中黑色虛線為瓦斯濃度為25%的等值線，由上圖模擬結果可以看出，相同濃度等值線在空間上向采空區深部和上部移動，與瓦斯濃度明顯降低的區域相比僅高抽巷抽采條件下明顯增大，上隅角瓦斯濃度由5%下降至2%；距離回風巷15m處，瓦斯濃度由18%下降至9%；距離回風巷65m處，瓦斯濃度由36%降至26%。埋管抽采條件下，相對僅有高抽巷抽采時，回風側總體瓦斯濃度和采空區深部瓦斯濃度整體下降約10%。由此說明，預埋立管可進一步減小上隅角及工作面瓦斯涌出量。

3 采空區埋管應用及效果驗證

3.1 采空區瓦斯抽采設計

1106高抽巷內錯1106回風巷布置，垂直方向上距離煤層頂板35m，巷道內埋設3趟直徑800 mm的抽采管路，其中兩趟與北風井地面1#瓦斯泵站低負壓管路抽采，抽采負壓為5MPa，一趟管路接直徑800 mm的外排管路，高抽巷布置見圖4（a），預計瓦斯混合流量250m3/min，瓦斯純量約為20m3/min。1106回風巷預埋立管間距20m，管路距離煤柱幫200 mm，距離底板500 mm，抽采管直徑為400 mm，干管直徑500 mm，當工作面距離三通10～15m時，將長度2.6m，直徑400 mm的瓦斯抽采器與三通連接，豎直插入巷道頂板，并采用木垛支撐固定，瓦斯抽采器管壁上預先加工多個小直徑篩孔作為進氣口，預埋立管布置見圖4（b）。

圖4 1106工作面高抽巷及采空區埋管布置

3.2 采空區埋管抽采效果

1106工作面投入生產后，監測采空區埋管的工作狀況及上隅角瓦斯濃度，整理得到圖5中的結果。由圖5（a）結果可以看出，隨著立管進入采空區深度的增大，進入采空區由12 m增大為18m，抽采管內混合流量和瓦斯濃度逐漸增大；立管深入采空區20m時，提高抽采負壓，抽采瓦斯濃度和純流量迅速增大；繼續深入采空區，抽采混合流量穩定，抽采負壓略微增大，瓦斯濃度和純流量略有下降，進入正常抽采階段，抽采瓦斯濃度穩定在10%左右，抽采純量穩定在0.9m3/min左右，抽采效果良好且穩定。根據圖5（b）上隅角瓦斯濃度變化曲線可知，工作面回采初期，上隅角瓦斯濃度較高，隨著工作面推進，上隅角瓦斯濃度逐漸降低，并最終穩定在0.5%左右，上隅角瓦斯積聚和預警頻繁問題得到了有效解決，實現了綜采工作面的安全高效生產。

圖5 工作面瓦斯涌出量變化規律

4 結語

根據阜生煤業1106工作面具體的地質條件，運用Ansys數值軟件建立三維數值模型，模擬研究不同埋管間距條件下采空區瓦斯濃度分布規律，確定預埋立管最佳布置距離為20m，驗證了埋管抽采降低上隅角瓦斯濃度的可行性。設計1106回風巷埋管的具體參數，應用期間監測抽采參數及上隅角瓦斯濃度變化規律，埋管抽采瓦斯濃度穩定在10%左右，抽采純量穩定在0.9m3/min左右，抽采效果良好且穩定；上隅角瓦斯濃度穩定在0.5%左右，有效解決了上隅角瓦斯濃度頻繁超限的問題，實現了綜采工作面的安全、高效的生產，對今后綜放工作面的瓦斯治理具有指導意義。