新集一礦綜放工作面瓦斯高抽巷技術*

趙 林，者 倩，鄒 治，李佳妮，魏世龍，孟麗萍

(1.內蒙古平莊能源股份有限公司，內蒙古 赤峰 024076；2.湖南工學院安全與環境學院，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，采空區向工作面通風空間的涌出等，影響瓦斯涌出因素諸多，如煤階、地質構造、含量、開采順序與速度、采煤方法及工作面布置、頂底板特征及其受采動影響的規律、通風方式與風量以及瓦斯抽采方式等[1-4]，瓦斯抽采時有效降低回風及隅角瓦斯積聚的有效方法。瓦斯抽采技術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有預先抽采、鉆孔抽采、埋管抽采、卸壓抽采、高抽巷抽采及其聯合抽采等，而高抽巷抽采由于具有大范圍高效抽采等優點經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瓦斯濃度[5]。高抽巷抽采時抽采流場與進風流場可能共同導致遺煤自燃加劇[6]。杜瀚林等[7]采用FLUENT數值模擬方法構建三維模型對高抽巷瓦斯抽采進行研究，指出高抽巷抽采負壓增加，回風瓦斯濃度降低，但持續增加抽采負壓或流量對降低回風瓦斯濃度無顯著意義。馬恒等[8]采用類似數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平巷距離、與煤層頂板距離等對抽采效果的影響規律，經過現場對比分析顯示采用數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綜放工作面開采實際，結合理論分析，為確保該工作面安全回采，擬采用數值仿真技術對工作面回采過程中高抽巷的抽采流量、與回風平巷距離、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瓦斯隨時間的變化規律，確定工作面回采過程中合理的高抽巷工藝參數，保障工作面安全回采。

1 工作面概況與數值仿真模型

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施高效瓦斯抽采。

1.2 高抽巷瓦斯抽采數值仿真模型

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參數，依據多場耦合理論，耦合風壓、風速、溫度、濃度等多因素，實現工作面及采空區流場、濃度場、溫度場等多場的有效耦合，采用COMSOL數值仿真軟件建立耦合自由與多孔介質流體流動、物質與流體物質傳遞、多孔介質與流體傳熱等物理化學場的采空區瓦斯涌出的仿真模型。

1.2.2 幾何模型

根據煤礦的地質條件，通過經驗公式法得出工作面采空區的“三帶”高度。工作面煤層頂板以泥巖為主，平均煤厚7.2 m，按照中硬巖層來進行計算，選用硬巖層的經驗公式計算冒落帶和裂隙帶高度。經計算得出采空區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。

根據冒落帶與裂隙帶高度計算結果，數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，按照該工作面實際，工作面傾斜長度為156 m，為節省計算量和考慮采空區深度與工作面斜長對開采后采空區應力分布的影響，取采空區深度大于工作面斜長，文中取采空區深度(走向長度)為200 m，模擬中簡化設置高抽巷為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 數值仿真結果分析

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20 m、距離煤層頂板20 m條件下，流量增加采空區瓦斯流動加快，且向高抽巷周圍流動密集。抽采流量較低時采空區較大范圍內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，當高抽巷抽采流量較大時，采空區大范圍瓦斯受到擾動大，大范圍內瓦斯濃度降低顯著，殘余瓦斯含量較低。

圖2為高抽巷距離回風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，高抽巷抽采的瓦斯濃度26.06%為最大，但最大抽采純量出現在抽采流量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時風排瓦斯量及回風中平均瓦斯濃度隨時間變化。圖3顯示隨抽采時間延續風排瓦斯量即采空區涌出瓦斯量隨抽采時間延續逐漸降低，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，而且會導致采空區漏風顯著增加，涌出量必定增加。圖4顯示，隨高抽巷抽采流量增加回風中瓦斯濃度顯著降低，抽采流量25 m3/min、50 m3/min、75 m3/min、100 m3/min、125 m3/min抽采50 d后回風中瓦斯濃度分別為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大范圍漏風現象，必須要適當控制高抽巷的合理使用時期。

圖3 風排瓦斯量

圖4 回風瓦斯平均濃度

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15 m、20 m、25 m、30 m，距離煤層頂板20 m時，采空區瓦斯流線，高抽巷距離工作面回風越近流線越密集，瓦斯流動越強烈，抽采效果越好。圖5顯示，高抽巷距離回風15 m、20 m、25 m、30m時回風排放瓦斯流量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%。高抽巷距離回風越近，風排瓦斯量越低，抽采流量越大，回風瓦斯濃度越低，其主要原因在于越靠近回風側布置高抽巷越有利于瓦斯抽采，因為該設置有利于漏風流場攜帶的瓦斯被回風側的高抽巷所吸收和抽采。

圖5 高抽巷距離工作面回風不同距離時瓦斯排放量與回風瓦斯濃度

圖6同樣顯示隨抽采時間延續，回風巷風排瓦斯量逐漸降低，且越靠近回風側風排瓦斯量越低，說明抽采量越大，回風瓦斯濃度越低，越有利于工作面瓦斯治理。

圖6 高抽巷與回風不同距離風排瓦斯量及濃度

圖7為高抽巷距離煤層頂板不同高度時風排瓦斯量及回風平均瓦斯濃度，圖中顯示高抽巷與頂板距離越小風排瓦斯量越低，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，回風瓦斯濃度越低。

圖7 高抽巷與頂板不同距離下風排瓦斯量及回風瓦斯平均濃度

綜上所述，結合該工作面安全生產實際，宜將回風瓦斯濃度控制在0.5%以下，因此，確定高抽巷與回風平巷的距離宜為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及效果分析

2.3.1 高位瓦斯抽采巷聯合埋管抽采技術

13-1煤層開采后，根據開采實際結合數值模擬結果，確定高位瓦斯抽排巷的合理位置為：距離風巷平距20 m，距離煤層頂板距離20 m，如圖8所示，設計抽采混合量50 m3/min，抽采瓦斯濃度20%以上，抽采瓦斯量10 m3/min。設計斷面為9.41～8.84 m2，總工程量1 271.8 m，支護方式為錨網索/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-采空區頂板環形裂隙區；2-裂隙帶內堅向裂隙發育區

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)，進氣口位于上隅角充填垛內5～10 m，混合流量控制在10 m3/min。回采過程中必須加強上、下隅角的管理，上隅角要提前收一棚并減少向采空區漏風。同時，要定期觀測采空區內的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，根據抽采管路內瓦斯濃度、純量統計，131303抽采管路內抽采瓦斯濃度1.35%～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定。

高抽巷瓦斯抽采分析：高抽巷主要抽采采空區瓦斯，根據高抽巷的抽采量統計，131303高抽巷內抽采瓦斯濃度3.02%～15.33%、抽采純量3～8.98 m3/min，平均4.89 m3/min，最大抽采瓦斯濃度達到15.33%，最大抽采純量達到8.98 m3/min，高抽巷抽采效果較好。

回風巷風排瓦斯量分析：根據回風巷風排瓦斯濃度、純量統計，131303回風巷內瓦斯濃度0.14%～0.34%、風排瓦斯純量2.19～5.48 m3/min，平均3.36 m3/min，風排瓦斯濃度、純量總體呈下降趨勢。

工作面瓦斯涌出量分析：根據工作面絕對瓦斯涌出量統計，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，是風排瓦斯量的1.84倍，說明高抽巷抽采瓦斯效果較好，風排瓦斯效果次之。綜上所述，高抽巷在抽采瓦斯過程中作用明顯，表明高抽巷位置設計合理，回采過程中工作面上隅角及回風流中未出現瓦斯超限問題，也說明工作面配風合理。

3 結論

(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；高抽巷與回風越近瓦斯抽采流量越大，距離頂板越遠，抽采效果越差，回風瓦斯濃度越大。確定抽采流量50～75 m3/min，高抽巷距離回風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排瓦斯的11.78、1.84倍，回采過程中未出現瓦斯超限現象，高抽巷抽采效果顯著。