孫貝貝

（西山煤電集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

引言

煤炭作為我國基礎(chǔ)能源及主要工業(yè)原材料供應(yīng)著人民生活生產(chǎn)。隨著我國煤炭資源的開采年限日益增加，煤炭資源賦存條件簡單的煤層已經(jīng)逐步得到開采，現(xiàn)階段開采的主要對象轉(zhuǎn)移到賦存較為復(fù)雜的煤層。賦存條件較為復(fù)雜的煤層在開采時大量的瓦斯聚集引發(fā)爆炸等事故成為了困擾礦山開采的重要難題。在現(xiàn)實生產(chǎn)中，治理瓦斯的方法較多，但治理的效果并不十分理想，所以研究礦山的瓦斯治理成為了熱門課題。耿銘[1]為了驗證L 型通風(fēng)對綜采工作面采空區(qū)的瓦斯進行抽采效果，利用數(shù)值模擬軟件對其進行模擬，發(fā)現(xiàn)L 型鉆孔抽采技術(shù)可以有效解決瓦斯超限的問題，達(dá)到了穩(wěn)定采空區(qū)的作用。張占國[2]研究了堅硬頂板沖擊地壓煤層發(fā)生瓦斯災(zāi)害的原因，提出六位一體的治理方法對瓦斯問題進行治理，并對治理后的工作面進行瓦斯監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)治理后的工作面無瓦斯涌出異常，有效保證了工作面的安全。解志勝[3]針對工作面瓦斯突出問題，提出在工作面采用U 型通風(fēng)與高位鉆孔的方法對瓦斯進行治理，解決了工作面瓦斯積聚問題，實現(xiàn)了瓦斯零超限，保證了礦山的安全生產(chǎn)。劉軍[4]分析了工作面瓦斯量與通風(fēng)量之間的關(guān)系，提出通過順層交叉鉆孔、裂隙帶抽采的方法對瓦斯進行治理，治理后綜采工作面的瓦斯得到了有效的治理，瓦斯超限現(xiàn)象得到了遏制。本文基于前人的研究，以杜兒坪礦22610 工作面為工程背景，對采空區(qū)上隅角瓦斯進行治理研究，為巷道安全開采做出貢獻(xiàn)。

1 礦井概況

杜兒坪礦位于呂梁山脈中麓、太原市以西20 km處的西山煤田中部，井田面積為63.1 km2，礦井年設(shè)計生產(chǎn)能力為385 萬t，屬高瓦斯礦井。22610 工作面的西側(cè)和北側(cè)為實體煤，工作面東側(cè)為已采22608 工作面，工作面由回風(fēng)順槽、進風(fēng)順槽、高抽巷和切眼組成。其中，回風(fēng)順槽長度為2 381.7m，進順槽長度為2 510.6m，高抽巷長度為2 384.7m，工作面切眼長度為290 m，可采長度為2 261.7 m。工作面主采煤層為6#煤層，煤層厚度為6.25～6.55 m，煤層平均厚度為6.4 m，回采率94%，工作面采用走向長壁、后退式大采高低位放頂煤采煤法。工作面煤層的原始瓦斯含量約為10.049 6 m3/t，其中殘余瓦斯含量約為2.37 m3/t，可解析的瓦斯含量為7.127 4 m3/t，屬于高瓦斯工作面。

巷道頂板的高抽巷是在煤層頂板位置布置一條巷道，其功能是進行巷道瓦斯抽采。高抽巷的主要工作原理是煤層頂板裂隙帶內(nèi)的瓦斯隨著工作面推進逐步卸壓冒落，此時采空區(qū)內(nèi)聚集的瓦斯沿著裂隙涌向整個裂隙帶，由于高抽巷的存在，一定負(fù)壓使得裂隙帶內(nèi)的瓦斯及采空區(qū)內(nèi)的瓦斯由于力的作用流向高抽巷，有效減少采面的瓦斯含量。從其作用機理可以看出，高抽巷的抽采效果與高抽巷的抽采參數(shù)及層位布置有著一定的關(guān)系，所以利用數(shù)值模擬對不同埋管深度及布置層位下瓦斯抽采效果進行研究[4]。

2 模型建立

根據(jù)實際尺寸及地質(zhì)資料中冒落帶、裂隙帶的高度，建立采空區(qū)的物理模型，工作面的斷裂角為63°，垮落角為73°。模擬忽略工作面機械設(shè)備，適當(dāng)進行簡化，忽略礦井的周期來壓，僅考慮采空區(qū)的漏風(fēng)、回風(fēng)巷、進風(fēng)巷、高抽巷抽采對瓦斯運移的影響。將進風(fēng)巷和回風(fēng)巷簡化為長方體，具體尺寸為長20 m、寬5 m、高3 m，高抽巷尺寸為長10 m、寬3 m、高3 m；模擬工作面長、寬、高分別為290 m、9 m、3 m；采空區(qū)長、寬、高分別為300 m、290 m、77 m。煤層近似為水平。對物理模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量不僅影響計算精度同時影響計算結(jié)果，利用ICEM CFD 軟件進行網(wǎng)格劃分，模型內(nèi)瓦斯?jié)舛仍O(shè)定為0.716 7 kg/m3，高抽巷抽采負(fù)壓為2 kPa，通風(fēng)方式采用U 型+高抽，完成模型的建立，對模型進行模擬研究[5-6]。首先對高抽巷不同層位下瓦斯分布情況進行模擬，高抽巷層位為相對于圖1 參考點的層位變化。

圖1 高抽巷層位參照圖

3 模擬分析

高抽巷不同層位采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D如圖2 所示。

圖2 抽巷不同層位采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D

為了對比層位對瓦斯運移的影響，選定高抽巷的豎直層位為10 m，同時考慮到日常的維護，所以設(shè)定高抽巷和回風(fēng)巷留存10 m 的距離。綜合選定層位分別為（10 m，10 m）、（10 m，20 m）、（10 m，40 m）、（20 m、20 m）四種情況進行模擬。從圖2 可以看出，采空區(qū)的瓦斯?jié)舛确植记闆r整體呈現(xiàn)出回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛雀哂谶M風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛鹊内厔?，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是在進風(fēng)側(cè)由于進風(fēng)風(fēng)流作用使得瓦斯?jié)舛鹊玫揭欢ǖ南♂專酝咚節(jié)舛认鄬^低。觀察模型垂直方向的瓦斯?jié)舛确植记闆r可以看出，采空區(qū)上部瓦斯?jié)舛雀哂诓煽諈^(qū)下部瓦斯?jié)舛?，呈現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是采空區(qū)冒落帶使得下部漏風(fēng)量較大，產(chǎn)生一定的稀釋作用，同時由于瓦斯質(zhì)量密度較小，所以會產(chǎn)生一定的浮升效應(yīng)。以高抽巷為界下部由于漏風(fēng)稀釋瓦斯?jié)舛容^低，而在其上部高抽巷為負(fù)壓匯流點，所以聚集一定范圍的高濃度瓦斯，造成高抽巷一定范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛仍龈?。對比不同層位下高抽巷對采空區(qū)內(nèi)部瓦斯影響云圖，可以看出不同層位對采空區(qū)瓦斯?jié)舛扔绊戄^小，對上隅角瓦斯有著重要的作用；當(dāng)水平距回風(fēng)巷較遠(yuǎn)且豎直層位增大時，此時高抽巷對上隅角范圍影響變大，瓦斯?jié)舛容^低區(qū)域增加，但在上隅角位置瓦斯?jié)舛茸兏?，所以高抽巷布置位置距離上隅角越遠(yuǎn)，此時上隅角瓦斯治理越困難，瓦斯涌出現(xiàn)象越明顯[7-8]。

相對于U 型通風(fēng)而言，上隅角的瓦斯積聚主要是由于有采空區(qū)瓦斯涌出造成的，所以控制好采空區(qū)的瓦斯涌出量十分重要。對采空區(qū)埋管瓦斯抽采技術(shù)進行研究，用于配合高抽巷同步使用。埋管的深度是影響抽采效果的重要因素，所以對不同埋管深度瓦斯?jié)舛确植记闆r進行模擬，埋管深度選定10 m、30 m、50 m、70 m，抽采量保持不變，均為25 m3/min，匯總不同埋管深度下上隅角瓦斯?jié)舛惹€如圖3 所示。

圖3 不同埋管深度上隅角瓦斯?jié)舛惹€

從圖3 可以看出，采空區(qū)上隅角瓦斯?jié)舛入S埋管深度增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。當(dāng)埋管深度設(shè)定為10 m 時，此時上隅角瓦斯?jié)舛戎禐?%；增大埋管埋深至30 m 時，此時的上隅角瓦斯?jié)舛葹?.78%；當(dāng)埋管深度增大至50 m 時，此時的上隅角瓦斯?jié)舛?.55%；當(dāng)埋管深度增大至70 m 時，此時的上隅角瓦斯?jié)舛茸畲鬄?%。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是由于隨著埋管深度的增大，此時采空區(qū)受到漏風(fēng)影響效果減弱，瓦斯受到抽采負(fù)壓影響被抽走，從而上隅角瓦斯聚集現(xiàn)象有所減弱，瓦斯?jié)舛葹?%左右，能夠滿足安全開采要求；繼續(xù)增大埋管深度時，抽采口距離采空區(qū)距離較遠(yuǎn)，此時漏風(fēng)影響及高抽巷采流場雙重作用效果較弱，所以上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)增大的趨勢。從以上分析可以看出，當(dāng)采空區(qū)埋管深度在40 m 時，上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂戚^佳[9-10]。

4 結(jié)論

1）杜兒坪礦采用數(shù)值模擬對不同埋管深度及高抽巷層位下瓦斯抽采效果進行分析，根據(jù)實際情況建立模型，為后續(xù)模擬奠定基礎(chǔ)。

2）模擬不同層位瓦斯分布情況發(fā)現(xiàn)高抽巷布置位置距離上隅角越遠(yuǎn)，上隅角瓦斯治理越困難。

3）采空區(qū)上隅角瓦斯?jié)舛入S埋管深度增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，最佳采空區(qū)埋管深度為40 m。