新集一礦綜放工作面瓦斯高抽巷技術(shù)*

趙 林，者 倩，鄒 治，李佳妮，魏世龍，孟麗萍

(1.內(nèi)蒙古平莊能源股份有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024076；2.湖南工學(xué)院安全與環(huán)境學(xué)院，湖南 衡陽 421002)

0 引言

綜放工作面的瓦斯來源一般包括，新暴露煤壁瓦斯的涌出，采落煤炭的瓦斯涌出，采空區(qū)向工作面通風(fēng)空間的涌出等，影響瓦斯涌出因素諸多，如煤階、地質(zhì)構(gòu)造、含量、開采順序與速度、采煤方法及工作面布置、頂?shù)装逄卣骷捌涫懿蓜佑绊懙囊?guī)律、通風(fēng)方式與風(fēng)量以及瓦斯抽采方式等[1-4]，瓦斯抽采時有效降低回風(fēng)及隅角瓦斯積聚的有效方法。瓦斯抽采技術(shù)可以有效降低工作面瓦斯積聚危險，保障工作面安全順利回采，常見的瓦斯抽采技術(shù)有預(yù)先抽采、鉆孔抽采、埋管抽采、卸壓抽采、高抽巷抽采及其聯(lián)合抽采等，而高抽巷抽采由于具有大范圍高效抽采等優(yōu)點(diǎn)經(jīng)常在瓦斯涌出量較大的工作面使用，可以有效降低工作面上隅角及回風(fēng)瓦斯?jié)舛萚5]。高抽巷抽采時抽采流場與進(jìn)風(fēng)流場可能共同導(dǎo)致遺煤自燃加劇[6]。杜瀚林等[7]采用FLUENT數(shù)值模擬方法構(gòu)建三維模型對高抽巷瓦斯抽采進(jìn)行研究，指出高抽巷抽采負(fù)壓增加，回風(fēng)瓦斯?jié)舛冉档停掷m(xù)增加抽采負(fù)壓或流量對降低回風(fēng)瓦斯?jié)舛葻o顯著意義。馬恒等[8]采用類似數(shù)值模擬方法研究指出高抽巷抽采層位顯著影響抽采效率，周西華[9]、徐永佳[10]、靳曉華[11]等研究了高抽巷與回風(fēng)平巷距離、與煤層頂板距離等對抽采效果的影響規(guī)律，經(jīng)過現(xiàn)場對比分析顯示采用數(shù)值模擬方法可為高抽巷的最佳工藝提供理論支持。因此，文中基于新集一礦131303綜放工作面開采實(shí)際，結(jié)合理論分析，為確保該工作面安全回采，擬采用數(shù)值仿真技術(shù)對工作面回采過程中高抽巷的抽采流量、與回風(fēng)平巷距離、與頂板距離等對瓦斯抽采效果的影響，以及抽采條件下回風(fēng)瓦斯隨時間的變化規(guī)律，確定工作面回采過程中合理的高抽巷工藝參數(shù)，保障工作面安全回采。

1 工作面概況與數(shù)值仿真模型

1.1 工作面概況

新集一礦131303綜放工作面斜長156 m，日均推進(jìn)度3.4 m，煤層平均全層厚度7.2 m，工作面回采煤層厚度為2.5 m，采放比為1∶1.88，采用U型通風(fēng)方式，煤層最大殘余瓦斯含量2.8～3.648 9 m3/t，絕對瓦斯涌出量為14.16 m3/min。當(dāng)工作面絕對瓦斯涌出量5 m3/min≤Q≤10 m3/min，工作面抽采率必須大于或等于20%，因此該工作面必須實(shí)施高效瓦斯抽采。

1.2 高抽巷瓦斯抽采數(shù)值仿真模型

1.2.1 多場耦合

為分析新集一礦131303綜采工作面的高抽巷瓦斯抽采效果及確定合理的技術(shù)參數(shù)，依據(jù)多場耦合理論，耦合風(fēng)壓、風(fēng)速、溫度、濃度等多因素，實(shí)現(xiàn)工作面及采空區(qū)流場、濃度場、溫度場等多場的有效耦合，采用COMSOL數(shù)值仿真軟件建立耦合自由與多孔介質(zhì)流體流動、物質(zhì)與流體物質(zhì)傳遞、多孔介質(zhì)與流體傳熱等物理化學(xué)場的采空區(qū)瓦斯涌出的仿真模型。

1.2.2 幾何模型

根據(jù)煤礦的地質(zhì)條件，通過經(jīng)驗公式法得出工作面采空區(qū)的“三帶”高度。工作面煤層頂板以泥巖為主，平均煤厚7.2 m，按照中硬巖層來進(jìn)行計算，選用硬巖層的經(jīng)驗公式計算冒落帶和裂隙帶高度。經(jīng)計算得出采空區(qū)上覆巖層冒落帶高度為11.43～15.83 m，工作面縱向裂隙帶高度為42.02～53.22 m，彎曲下沉帶在裂隙帶以上。

根據(jù)冒落帶與裂隙帶高度計算結(jié)果，數(shù)值仿真過程中取冒落帶高度為12 m，裂隙帶高度為48 m，模型縱向高度為60 m，按照該工作面實(shí)際，工作面傾斜長度為156 m，為節(jié)省計算量和考慮采空區(qū)深度與工作面斜長對開采后采空區(qū)應(yīng)力分布的影響，取采空區(qū)深度大于工作面斜長，文中取采空區(qū)深度(走向長度)為200 m，模擬中簡化設(shè)置高抽巷為3 m×3 m的正方形斷面，如圖1所示。

圖1 高抽巷抽采幾何模型

2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

2.1 高抽巷抽采流量對瓦斯抽采效果的影響

高抽巷距離回風(fēng)20 m、距離煤層頂板20 m條件下，流量增加采空區(qū)瓦斯流動加快，且向高抽巷周圍流動密集。抽采流量較低時采空區(qū)較大范圍內(nèi)瓦斯基本未受擾動或擾動較小，瓦斯殘余與初始階段基本一致，當(dāng)高抽巷抽采流量較大時，采空區(qū)大范圍瓦斯受到擾動大，大范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛冉档惋@著，殘余瓦斯含量較低。

圖2為高抽巷距離回風(fēng)20 m、距離煤層頂板20 m條件下，高抽巷不同抽采流量條件下抽采濃度和抽采純度變化，圖中顯示抽采流量有25 m3/min、50 m3/min、75 m3/min、100 m3/min、125 m3/min，抽采濃度分別為：22.32%，26.06%，23.46%，14.47%，12.61%；抽采純量分別為：5.58 m3/min、13.03 m3/min、17.59 m3/min、14.47 m3/min、15.77 m3/min。說明抽采流量50 m3/min時，高抽巷抽采的瓦斯?jié)舛?6.06%為最大，但最大抽采純量出現(xiàn)在抽采流量75 m3/min時。

圖2 高抽巷中抽采濃度及純量

圖3、圖4分別為高抽巷距離回風(fēng)20 m、距離煤層頂板20 m條件下，抽采流量25 m3/min、50 m3/min、75 m3/min、100 m3/min、125 m3/min時風(fēng)排瓦斯量及回風(fēng)中平均瓦斯?jié)舛入S時間變化。圖3顯示隨抽采時間延續(xù)風(fēng)排瓦斯量即采空區(qū)涌出瓦斯量隨抽采時間延續(xù)逐漸降低，且隨流量增加涌出量逐漸降低，這與抽采流量75 m3/min時純量最大稍有出入，其主要原因是隨抽采流量增加，不但抽采純量基本增加，而且會導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)顯著增加，涌出量必定增加。圖4顯示，隨高抽巷抽采流量增加回風(fēng)中瓦斯?jié)舛蕊@著降低，抽采流量25 m3/min、50 m3/min、75 m3/min、100 m3/min、125 m3/min抽采50 d后回風(fēng)中瓦斯?jié)舛确謩e為0.48%、0.41%、0.32%、0.17%、0.13%，說明高抽巷抽采瓦斯是為了高效抽采和控制抽采誘導(dǎo)大范圍漏風(fēng)現(xiàn)象，必須要適當(dāng)控制高抽巷的合理使用時期。

圖3 風(fēng)排瓦斯量

圖4 回風(fēng)瓦斯平均濃度

2.2 高抽巷位置對瓦斯抽采效果的影響

圖5為抽采流量50 m3/min，高抽巷距離回風(fēng)15 m、20 m、25 m、30 m，距離煤層頂板20 m時，采空區(qū)瓦斯流線，高抽巷距離工作面回風(fēng)越近流線越密集，瓦斯流動越強(qiáng)烈，抽采效果越好。圖5顯示，高抽巷距離回風(fēng)15 m、20 m、25 m、30m時回風(fēng)排放瓦斯流量4.32 m3/min、5.86 m3/min、7.48 m3/min、9.92 m3/min，濃度為0.30%、0.41%、0.52%、0.69%。高抽巷距離回風(fēng)越近，風(fēng)排瓦斯量越低，抽采流量越大，回風(fēng)瓦斯?jié)舛仍降停渲饕蛟谟谠娇拷仫L(fēng)側(cè)布置高抽巷越有利于瓦斯抽采，因為該設(shè)置有利于漏風(fēng)流場攜帶的瓦斯被回風(fēng)側(cè)的高抽巷所吸收和抽采。

圖5 高抽巷距離工作面回風(fēng)不同距離時瓦斯排放量與回風(fēng)瓦斯?jié)舛?/p>

圖6同樣顯示隨抽采時間延續(xù)，回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯量逐漸降低，且越靠近回風(fēng)側(cè)風(fēng)排瓦斯量越低，說明抽采量越大，回風(fēng)瓦斯?jié)舛仍降停接欣诠ぷ髅嫱咚怪卫怼?/p>

圖6 高抽巷與回風(fēng)不同距離風(fēng)排瓦斯量及濃度

圖7為高抽巷距離煤層頂板不同高度時風(fēng)排瓦斯量及回風(fēng)平均瓦斯?jié)舛龋瑘D中顯示高抽巷與頂板距離越小風(fēng)排瓦斯量越低，即抽采瓦斯量越大，抽采效果越好；同時，高抽巷距離煤層頂板越近，回風(fēng)瓦斯?jié)舛仍降汀?/p>

圖7 高抽巷與頂板不同距離下風(fēng)排瓦斯量及回風(fēng)瓦斯平均濃度

綜上所述，結(jié)合該工作面安全生產(chǎn)實(shí)際，宜將回風(fēng)瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.5%以下，因此，確定高抽巷與回風(fēng)平巷的距離宜為15～20 m，與頂板的距離宜為15～20 m。

2.3 工作面瓦斯治理技術(shù)及效果分析

2.3.1 高位瓦斯抽采巷聯(lián)合埋管抽采技術(shù)

13-1煤層開采后，根據(jù)開采實(shí)際結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定高位瓦斯抽排巷的合理位置為：距離風(fēng)巷平距20 m，距離煤層頂板距離20 m，如圖8所示，設(shè)計抽采混合量50 m3/min，抽采瓦斯?jié)舛?0%以上，抽采瓦斯量10 m3/min。設(shè)計斷面為9.41～8.84 m2，總工程量1 271.8 m，支護(hù)方式為錨網(wǎng)索/木棚。巷道口砌筑雙層封閉墻，雙層封閉之間距離大于500 mm，并注漿充填。

1-采空區(qū)頂板環(huán)形裂隙區(qū)；2-裂隙帶內(nèi)堅向裂隙發(fā)育區(qū)

同時在131303工作面上隅角充填垛上至少埋1路φ325 mm的抽排管(里端0.5 m為花管)，進(jìn)氣口位于上隅角充填垛內(nèi)5～10 m，混合流量控制在10 m3/min。回采過程中必須加強(qiáng)上、下隅角的管理，上隅角要提前收一棚并減少向采空區(qū)漏風(fēng)。同時，要定期觀測采空區(qū)內(nèi)的CO情況，定期取樣化驗，防止煤炭自燃。

2.3.2 工作面瓦斯治理效果分析

埋管抽采瓦斯分析：埋管抽采主要抽采煤體和上隅角瓦斯，根據(jù)抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛取⒓兞拷y(tǒng)計，131303抽采管路內(nèi)抽采瓦斯?jié)舛?.35%～3.03%、抽采純量0.15～3.25 m3/min，平均0.71 m3/min，瓦斯抽采量總體比較穩(wěn)定。

高抽巷瓦斯抽采分析：高抽巷主要抽采采空區(qū)瓦斯，根據(jù)高抽巷的抽采量統(tǒng)計，131303高抽巷內(nèi)抽采瓦斯?jié)舛?.02%～15.33%、抽采純量3～8.98 m3/min，平均4.89 m3/min，最大抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)到15.33%，最大抽采純量達(dá)到8.98 m3/min，高抽巷抽采效果較好。

回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯量分析：根據(jù)回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯?jié)舛取⒓兞拷y(tǒng)計，131303回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛?.14%～0.34%、風(fēng)排瓦斯純量2.19～5.48 m3/min，平均3.36 m3/min，風(fēng)排瓦斯?jié)舛取⒓兞靠傮w呈下降趨勢。

工作面瓦斯涌出量分析：根據(jù)工作面絕對瓦斯涌出量統(tǒng)計，工作面絕對瓦斯涌出量4.24～13.18 m3/min，平均8.75 m3/min。

綜上所述，工作面瓦斯抽采率為60.46%～66%，高抽巷抽采瓦斯量是埋管抽采瓦斯量的11.78倍，是風(fēng)排瓦斯量的1.84倍，說明高抽巷抽采瓦斯效果較好，風(fēng)排瓦斯效果次之。綜上所述，高抽巷在抽采瓦斯過程中作用明顯，表明高抽巷位置設(shè)計合理，回采過程中工作面上隅角及回風(fēng)流中未出現(xiàn)瓦斯超限問題，也說明工作面配風(fēng)合理。

3 結(jié)論

(1)高抽巷抽采流量增加，抽采濃度先增加后降低，抽采濃度最大的流量為50 m3/min，抽采瓦斯純量最大為75 m3/min；高抽巷與回風(fēng)越近瓦斯抽采流量越大，距離頂板越遠(yuǎn)，抽采效果越差，回風(fēng)瓦斯?jié)舛仍酱蟆４_定抽采流量50～75 m3/min，高抽巷距離回風(fēng)15～20 m，距離煤層頂板15～20 m。

(2)工作面回采期間絕對瓦斯涌出量4.24～13.18 m3/min，埋管抽采純量0.15～3.25 m3/min，高抽巷抽采純量3～8.98 m3/min，風(fēng)排瓦斯純量2.19～5.48 m3/min，工作面瓦斯抽采率在60%以上，高抽巷抽采純量是埋管抽采和風(fēng)排瓦斯的11.78、1.84倍，回采過程中未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，高抽巷抽采效果顯著。