樊曉飛

(山西晉城煤業(yè)集團(tuán) 勘察設(shè)計院有限公司，山西 晉城 048006)

隨著煤礦開采技術(shù)水平的提升，礦井產(chǎn)能也相應(yīng)逐年增加，傳統(tǒng)的U型通風(fēng)方式的弊端也愈發(fā)明顯。其中，上隅角瓦斯積聚導(dǎo)致瓦斯?jié)舛鹊脑黾右殉蔀橹萍s礦井安全生產(chǎn)的核心因素，而目前國內(nèi)常用的治理上隅角瓦斯的方法有：埋管抽采、高位鉆孔抽采以及在裂隙帶內(nèi)布置高抽巷等[1].由于埋管抽采存在浪費(fèi)抽采管路、不能改變抽采步距和安全投入較多等弊端，因此有必要對傳統(tǒng)的抽采方法及工藝進(jìn)行改進(jìn)。新型的拖管抽采技術(shù)[2-5]既能夠節(jié)省抽采管路材料，又可以根據(jù)抽采情況對應(yīng)地調(diào)整抽采步距，且工程量相對較小。

1 3206綜放面采空區(qū)瓦斯分布及抽采技術(shù)

1.1 采空區(qū)三區(qū)域劃分

根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氣體流場及瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，可將采空區(qū)大致劃分為：涌出區(qū)(0～25 m)、紊流區(qū)(25～75 m)和滯留區(qū)(75 m以后)3個區(qū)域。煤層賦存條件以及頂?shù)装宀町愋缘纫蛩鼐鶗?dǎo)致3個區(qū)域劃分存在一定的差異性。根據(jù)現(xiàn)場實際結(jié)果，某煤礦3206綜放面3個區(qū)域瓦斯?jié)舛燃坝砍隽壳闆r見圖1. 由圖1可知，3206綜放面采空區(qū)涌出區(qū)內(nèi)瓦斯涌出量較大，且隨著新鮮風(fēng)流涌向上隅角，導(dǎo)致上隅角位置瓦斯?jié)舛燃ぴ?。另外，工作面風(fēng)流量的大小決定了攜帶采空區(qū)瓦斯量的能力，供風(fēng)量越大，攜帶走的采空區(qū)瓦斯量越大，反之越小。紊流區(qū)內(nèi)的瓦斯是在大氣壓力和采空區(qū)瓦斯壓力共同作用下在采空區(qū)內(nèi)的不穩(wěn)定停留，隨著大氣壓力的變化，紊流區(qū)也可能會有瓦斯涌出危險[6]. 如果不破壞采空區(qū)的封閉條件，滯留區(qū)內(nèi)的瓦斯將永遠(yuǎn)滯留在采空區(qū)內(nèi)。

圖1 3206綜放面采空區(qū)三區(qū)劃分圖

1.2 托管抽采技術(shù)

根據(jù)對采空區(qū)三區(qū)劃分情況可知，控制采空區(qū)內(nèi)涌出區(qū)的瓦斯涌出量是解決上隅角瓦斯的關(guān)鍵因素。上隅角拖管抽采技術(shù)的主要工作原理是在涌出區(qū)內(nèi)形成一個負(fù)壓區(qū)，利用負(fù)壓抽采積聚在上隅角的瓦斯，同時攔截控制采空區(qū)深部的瓦斯涌出。隨著工作面的推進(jìn)，三區(qū)域跟著工作面同步前移，拖動裝置可以保障連續(xù)抽采點形成的負(fù)壓區(qū)始終穩(wěn)定于涌出區(qū)，不會因工作面的推進(jìn)前移而滯后于紊流區(qū)或滯留區(qū)內(nèi)，見圖2.

圖2 拖管抽采系統(tǒng)工作示意圖

拖管抽采裝置操作簡單，抽采支管可以跟隨拖動裝置同步前行，節(jié)約了抽采支管的材料，在控制抽采成本的同時對上隅角瓦斯起到了較好的治理效果。

2 采空區(qū)瓦斯?jié)舛壤碚撃Ｐ团c工業(yè)性試驗

2.1 采空區(qū)內(nèi)涌出區(qū)瓦斯模型建立

根據(jù)采空區(qū)瓦斯的三區(qū)劃分，從質(zhì)量守恒連續(xù)性方程的角度考慮，運(yùn)用菲克第一定律和達(dá)西定律進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，推導(dǎo)出按摩爾濃度表示采空區(qū)內(nèi)涌出區(qū)混溶滲流擴(kuò)散方程為[7-8]：

(1)

式中：

cg—采空區(qū)瓦斯的摩爾濃度，mol/m3；

v—采空區(qū)風(fēng)流速度，m/s；

t—時間變量，s；

DgA—瓦斯組分的擴(kuò)散系數(shù)張量，m2/s；

c—混合氣體的摩爾濃度，mol/m3；

n—煤體的孔隙度；

Wg—瓦斯單位時間單位體積的摩爾生成量。

公式(1)可以根據(jù)下列條件求解：

新風(fēng)邊界上：

cg=0

(2)

cg|t=0=0

(3)

圖3 涌出區(qū)瓦斯運(yùn)移的計算模型圖

根據(jù)圖3涌出區(qū)瓦斯運(yùn)移的計算模型，可以推導(dǎo)出瓦斯源理論表達(dá)式為[9]：

(4)

wg=H·Wg

(5)

式中：

wg—采空區(qū)內(nèi)瓦斯在單位面積單位時間內(nèi)涌出強(qiáng)度，mol/(m2·s)；

w0—采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度，mol/(m2·s)；

w1—紊流區(qū)和滯留區(qū)的初始涌出強(qiáng)度，mol/(m2·s)；

x—抽采管路端口距離工作面位置；

v1—工作面每天推進(jìn)度，m/d；

λ1—紊流區(qū)和滯留區(qū)的衰減率，1/d；

H—隨冒落帶變化瓦斯的流場高度值，m.

公式(1)方程是非線性的，應(yīng)與公式(4)聯(lián)立求解，先通過求解采空區(qū)模型的速度場，再求采空區(qū)抽采前后內(nèi)瓦斯?jié)舛葓鲎兓?。其中，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛葓龇植记闆r需結(jié)合時間變量多次代入求解得到。某煤礦3206綜放面的工作面長度為210 m，采高為5.62 m，日進(jìn)尺為3.6 m.工作面配風(fēng)量為1 200 m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出強(qiáng)度為3.78 mol/(m2·s)，紊流區(qū)和滯留區(qū)的衰減率為0.078. 假設(shè)采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出均勻，可聯(lián)合公式(1)和(4)計算求出涌出區(qū)內(nèi)的瓦斯涌出量為5.18 m3/min，瓦斯?jié)舛饶軌蜻_(dá)到50%～90%. 瓦斯抽采量根據(jù)現(xiàn)場實際情況統(tǒng)計為3.25 m3/min.

2.2 現(xiàn)場工業(yè)性試驗

由于某煤礦3206綜采工作面上隅角瓦斯較大，所以選用了埋管抽采方法，但是上隅角瓦斯?jié)舛纫廊粵]有下降。采用拖管抽采進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗，抽采管路利用原有的抽采支管，在抽采支管末端安設(shè)分路器，拖管連接分路器，拖管管徑為DN150 mm，見圖4.

圖4 3206綜采工作面拖管抽采布置示意圖

抽采管路連入地面瓦斯抽采系統(tǒng)，最低抽采負(fù)壓為5 kPa. 上隅角內(nèi)側(cè)1 m位置，距頂板0.5 m，距回風(fēng)巷外邦為0.3 m安裝瓦斯監(jiān)控探頭，同時進(jìn)行人工取樣定時監(jiān)測，隨著工作面的推進(jìn)，分別考察拖管距頂板不同高度、距回風(fēng)巷側(cè)幫不同距離、距上隅角不同深度時，上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r，實際測試結(jié)果為分散點，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，結(jié)果見圖5，6，7.

圖5 距頂板不同高度時上隅角瓦斯?jié)舛葦M合曲線圖

圖6 距外幫不同距離時上隅角瓦斯?jié)舛葦M合曲線圖

圖7 距上隅角不同深度時上隅角瓦斯?jié)舛葦M合曲線圖

從圖5可以看出，抽采管路距頂板的距離和上隅角瓦斯?jié)舛却嬖谥笖?shù)關(guān)系：y=3.88e-1.09x，即抽采管路距離頂板越近抽采效果越好。由圖6可知，拖管距回風(fēng)巷外側(cè)巷幫的距離與上隅角瓦斯?jié)舛却嬖诙吻€關(guān)系：y=-3.80x2+4.22x+1.73，可以得出距巷幫0.6 m左右是這個工作面的瓦斯涌出通道。由圖7可知，拖管進(jìn)入采空區(qū)的長度和上隅角瓦斯?jié)舛却嬖诙吻€關(guān)系：y=-0.02x2+0.49x-1.24，可以得出埋管深度在15 m左右抽采效果最好。

現(xiàn)場測試結(jié)果顯示，拖管距離巷道頂板0.2 m，距離回風(fēng)巷外幫0.6 m，進(jìn)入采空區(qū)深度為15 m左右時，抽采效果最好。

3 Fluent數(shù)值模擬驗證

根據(jù)某煤礦3206綜放面的具體地質(zhì)條件和開采情況，結(jié)合現(xiàn)場采用拖管抽采新技術(shù)進(jìn)行工業(yè)性試驗確定的最優(yōu)參數(shù)值，建立數(shù)值模型穩(wěn)態(tài)求解，計算出采空區(qū)涌出區(qū)內(nèi)瓦斯抽采前后的流態(tài)和瓦斯?jié)舛确植记闆r分別見圖8，9.

圖8 抽采前采空區(qū)流態(tài)及瓦斯分布圖

圖9 抽采時采空區(qū)留態(tài)及瓦斯分布圖

圖8是在封閉的無邊界漏風(fēng)的條件下，左圖為采空區(qū)內(nèi)涌出區(qū)流場分布狀態(tài)，右圖為采空區(qū)內(nèi)涌出區(qū)的瓦斯?jié)舛确植紶顟B(tài)，采空區(qū)瓦斯大部分集中在涌出區(qū)內(nèi)，涌出區(qū)內(nèi)最高瓦斯?jié)舛冗_(dá)到95%，在風(fēng)流影響下，集中到3206工作面的上隅角處，這對上隅角實施拖管抽采提供了理論依據(jù)。從圖9可以看出，經(jīng)過抽采后，抽采口距離上隅角15 m位置瓦斯?jié)舛冗_(dá)到50%以上，抽采純量達(dá)到3.25 m3/min，而且3026工作面上隅角瓦斯?jié)舛冉档?，起到抽采上隅角瓦斯同時攔截瓦斯的作用，這與現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)果吻合性較好。

4 工程應(yīng)用

3206綜采工作面采空區(qū)瓦斯涌出較大，采用了高位鉆孔和埋管抽采相結(jié)合的方法未能解決上隅角瓦斯超限問題，根據(jù)上述理論分析、現(xiàn)場工業(yè)性試驗和數(shù)值模擬驗證，最終確定了拖管抽采的最優(yōu)參數(shù)。3月25日—7月28日，采空區(qū)瓦斯抽采濃度達(dá)到2.8%～3.9%，瓦斯抽采純量達(dá)到0.21～0.35 m3/min. 在這這段時間內(nèi)，3206綜采工作面上隅角瓦斯最大不超過0.5%，保證了3206綜采工作面的安全生產(chǎn)，同時節(jié)約了抽采管路，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

1) 在某礦3206采空區(qū)三區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，建立了涌出區(qū)的理論模型，并結(jié)合實際參數(shù)計算出了涌出區(qū)內(nèi)的瓦斯涌出量和瓦斯的濃度情況。

圖10 3206采空區(qū)瓦斯拖管抽放效果圖

2) 在3206綜采工作面現(xiàn)場進(jìn)行拖管抽采技術(shù)工業(yè)性試驗，確定出上隅角瓦斯拖管距離巷道頂板0.2 m，距離回風(fēng)巷外幫0.6 m，進(jìn)入采空區(qū)深度為15 m時抽采效果最好。

3) 通過數(shù)值模擬驗證了現(xiàn)場工業(yè)性試驗結(jié)論的合理性，且工程應(yīng)用效果良好。可見，拖管抽采技術(shù)能夠較好地治理上隅角瓦斯超限，在保證礦井安全生產(chǎn)的前提下，還節(jié)約了治理瓦斯成本。