牛建華

(唐山開灤趙各莊礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063100)

煤礦瓦斯治理措施主要包括通風(fēng)和抽放兩種方法。通風(fēng)是防治瓦斯災(zāi)害，保證生產(chǎn)安全的一項(xiàng)基本措施，抽放則是治理瓦斯災(zāi)害的一項(xiàng)根本性措施;對(duì)于一個(gè)礦井或者一個(gè)回采工作面來(lái)說(shuō)，選用合理的瓦斯治理措施，能夠使得瓦斯災(zāi)害防治工作事半功倍，而且不至于誘發(fā)次生災(zāi)害［1－3］。

塔山井田位于山西省大同煤田東翼中東部邊緣地帶，主要開采二疊系下統(tǒng)山西組和石炭系上統(tǒng)太原組，地層總厚86.2～177.20 m，平均為157.93 m，共含煤15層，煤層總厚38.25 m，含煤系數(shù)24%，現(xiàn)開采石炭紀(jì)二疊系3～5#煤層，煤層平均厚度15.72 m，煤塵有爆炸性危險(xiǎn)，煤層有自然發(fā)火傾向，礦井瓦斯等級(jí)為高瓦斯礦井。礦井采用抽出式通風(fēng)通風(fēng)方式，由盤道村回風(fēng)立井回風(fēng)(井筒直徑6.5 m)，礦井生產(chǎn)初期由主、副平硐及盤道進(jìn)風(fēng)立井進(jìn)風(fēng)，風(fēng)量為17000 m3/min，負(fù)壓為2116 Pa;后期礦井進(jìn)風(fēng)量為21000 m3/min，負(fù)壓為2810 Pa。

8104綜放工作面東為8103工作面;南為1070回風(fēng)巷、皮帶巷、輔運(yùn)巷;西為8105工作面，正在掘進(jìn);北為大同～喬村鐵路及建筑物保護(hù)煤柱。采用綜合機(jī)械化采煤，煤層開采強(qiáng)度較大(日產(chǎn)量40000～60000 t/d)，瓦斯絕對(duì)涌出量較高(絕對(duì)瓦斯涌出量為31.17～46.75 m3/min)，瓦斯災(zāi)害給該工作面的安全高效開采帶來(lái)一定威脅;同時(shí)，該工作面所開采的3#煤層屬自燃煤層，這就要求所采取的瓦斯災(zāi)害防治措施要盡量避免增加采空區(qū)深部漏風(fēng)［4］。

為此，本研究借助數(shù)值模擬手段對(duì)8104綜放工作面采用不同瓦斯治理措施條件下的采空區(qū)瓦斯運(yùn)移分布規(guī)律進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)該工作面的瓦斯防治技術(shù)方案進(jìn)行優(yōu)選與設(shè)計(jì)。

1 8104綜放面抽采瓦斯必要性與可行性分析

1.1 抽采瓦斯必要性分析

塔山礦8104工作面如果產(chǎn)量為30000 t/d，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量將達(dá)到23.38 m3/min;工作面產(chǎn)量為50000 t/d時(shí)，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量將達(dá)到38.96 m3/min，遠(yuǎn)大于5 m3/min。因此已經(jīng)符合《煤礦安全規(guī)程》建立抽采系統(tǒng)的必要條件。

采掘工作面是否進(jìn)行瓦斯抽采的判斷標(biāo)準(zhǔn):工作面的供風(fēng)量不能滿足稀釋瓦斯的需要，即下式成立時(shí)，抽采瓦斯才是必要的。

式中 Q0——采掘工作面供風(fēng)量，m3/min;

Q——采掘工作面瓦斯涌出量，m3/min;

C——采掘工作面允許的瓦斯?jié)舛龋?;

K——瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取K=1.5。

8104工作面日產(chǎn)量按50000t計(jì)算，絕對(duì)瓦斯涌出量將達(dá)到38.96m3/min，需要風(fēng)量5000m3/min，而實(shí)際供風(fēng)量?jī)H為2500m3/min左右。因此有必要建立瓦斯抽采系統(tǒng)。

綜合上述分析，塔山礦有必要在首采區(qū)建立抽采系統(tǒng)，對(duì)3#煤層首采區(qū)采空區(qū)瓦斯和鄰近層瓦斯進(jìn)行抽采，保證工作面上隅角瓦斯不超限。

1.2 抽采瓦斯可行性分析

一般而言，本煤層瓦斯抽采的可行性衡量指標(biāo)有兩個(gè):一為煤層透氣性系數(shù)(λ);二為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)(α)。塔山煤礦3#煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)α為0.602～0.7427，屬于較難抽采范圍;煤層透氣性系數(shù)λ為171.71～428.80，屬于容易抽放范圍;綜合考慮，8104綜放工作面不具備本煤層瓦斯預(yù)抽條件。

塔山煤礦8104工作面瓦斯主要來(lái)源于采空區(qū)，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面總瓦斯的涌出量60%以上。其瓦斯來(lái)源于受采動(dòng)影響的上鄰近層4號(hào)和2號(hào)煤層、圍巖層、采空區(qū)丟煤和煤柱以及預(yù)放煤體涌出的瓦斯。在3#煤層工作面開采期間，鄰近層和圍巖層有相當(dāng)數(shù)量的瓦斯涌入開采層的采空區(qū)和工作面。若能在工作面上隅角預(yù)埋抽采瓦斯管道或在2#煤層掘一條內(nèi)錯(cuò)高位專用抽采瓦斯巷密閉抽采采空區(qū)瓦斯，既可以直接抽采鄰近層涌出的卸壓瓦斯，也可以通過(guò)裂隙抽采工作面采空區(qū)內(nèi)高冒拱內(nèi)的瓦斯。塔山礦8104瓦斯涌出量預(yù)測(cè)值可達(dá)38.96 m3/min，其中有82%來(lái)源于采空區(qū)，因此對(duì)8104工作面采空區(qū)進(jìn)行抽采是可行的。

綜上所述，塔山煤礦8104綜放工作面開采3#煤層，不具備本煤層瓦斯預(yù)抽條件。為減少采空區(qū)瓦斯涌出量，減輕礦井通風(fēng)負(fù)擔(dān)，保證工作面正常開采，對(duì)8104綜放工作面進(jìn)行鄰近層及采空區(qū)瓦斯抽采是可行的。

2 瓦斯抽放數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

根據(jù)塔山礦實(shí)際生產(chǎn)情況，采用FLUENT軟件，建立物理模型，并進(jìn)行理想化假設(shè)［5－7］。在此基礎(chǔ)上，建立采用上隅角抽采、頂回風(fēng)巷引排和頂回風(fēng)巷抽采等方法防治瓦斯時(shí)的計(jì)算模型，并利用結(jié)構(gòu)化非均勻網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域，網(wǎng)格數(shù)目分別為 300，000 和310，000。

圖1為基于U型工作面采用上隅角抽采方法處理瓦斯的布置示意圖，在回風(fēng)巷布置兩條抽采管路，分別為DN400mm，DN500mm抽采管路，在抽采管路末端，連接骨架風(fēng)筒(軟質(zhì)風(fēng)筒)，骨架風(fēng)筒另一端與封堵墻上預(yù)埋的2 m長(zhǎng)PE管相連，抽采封堵以里的瓦斯。為研究方便，本論文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在回風(fēng)巷道工作面出口設(shè)置與兩條抽采管路截面積相當(dāng)?shù)摹肮艿馈?如圖2中局部放大圖A)，模擬上隅角瓦斯抽采的工況。

圖1 U型工作面上隅角抽采布置圖

圖2 采用上隅角抽采措施時(shí)計(jì)算模型網(wǎng)格

頂回風(fēng)巷全風(fēng)壓引排和抽采時(shí)的布置與圖1基本相似，不同的是，少了上隅角抽采管道，并在煤層頂板加設(shè)一條巷道。根據(jù)塔山礦8104工作面實(shí)施頂回引排、抽采瓦斯的實(shí)際情況，這條頂回風(fēng)巷設(shè)在該工作面回風(fēng)側(cè)內(nèi)錯(cuò)20 m位置，沿煤層頂板布置。

研究過(guò)程中，假定采空區(qū)內(nèi)沒有熱源、溫度均勻、且滲透性在各方向上相同，采空區(qū)除了上下隅角外沒有其他出口;巷道入口、出口處湍流參數(shù)采用同樣方法處理;依據(jù)綜放面采空區(qū)瓦斯的預(yù)測(cè)涌出量，假定采空區(qū)底板有瓦斯涌出，涌出速度0.0073 m3/s。

3 不同方案條件下的瓦斯治理數(shù)值模擬

3.1 上隅角抽采時(shí)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬

在U型通風(fēng)條件下，從進(jìn)風(fēng)巷沿工作面到回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛戎饾u增加，在進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)流瓦斯?jié)舛容^低，上隅角靠近采空區(qū)一側(cè)風(fēng)流瓦斯?jié)舛容^高，工作面漏風(fēng)帶出大量采空區(qū)瓦斯是上隅角瓦斯積聚的主要原因。

根據(jù)所設(shè)置的物理模型，假定回風(fēng)風(fēng)量為2500 m3/min、抽采量為250 m3/min和回風(fēng)風(fēng)量3400 m3/min、抽采量400 m3/min(分別簡(jiǎn)稱為工況1、工況2)，通過(guò)數(shù)值模擬可計(jì)算出該條件下的工作面及采空區(qū)壓力分布、空氣速度分布及瓦斯?jié)舛确植记闆r，因本文篇幅受限，在此僅顯示瓦斯?jié)舛确植紙D片，具體如圖3和圖4所示。

圖3 截面瓦斯?jié)舛确植?工況1)

圖4 截面瓦斯?jié)舛确植?工況2)

在圖3和圖4中，截面沿x向的位置坐標(biāo)為3.0 m。從圖中可以看出，在進(jìn)風(fēng)側(cè)的采空區(qū)區(qū)域，由于漏入的是新鮮風(fēng)流，將沿程瓦斯稀釋并帶走，所以該區(qū)域瓦斯?jié)舛群苄　?/p>

采用抽采措施后，瓦斯抽采系統(tǒng)排至地面或被利用。抽采掉的風(fēng)流占深部漏風(fēng)流的大部分，抽采流帶形成了一條“屏障”，阻止了采空區(qū)深部瓦斯向上隅角的涌入，從而降低上隅角瓦斯?jié)舛?。從工況1和工況2的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在工況2條件下，工作面風(fēng)量、抽采量較大，對(duì)于上隅角瓦斯積聚的問(wèn)題具有更好的緩解作用，但是也會(huì)使工作面新鮮風(fēng)流大量漏入采空區(qū);而且在采空區(qū)存在漏風(fēng)源的條件下，較大的風(fēng)量和抽采量勢(shì)必造成瓦斯等有毒有害氣體的涌入;對(duì)于易自燃煤層則會(huì)成為采空區(qū)自燃的重大隱患。因此，該辦法僅適用于采空區(qū)一側(cè)無(wú)漏風(fēng)源、抽采系統(tǒng)開啟后不致于增大采空區(qū)漏風(fēng)的情況。

3.2 頂板巷自然引排時(shí)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬

同理，對(duì)于采用頂回風(fēng)巷引排法治理采空區(qū)瓦斯，也可以利用物理模型及網(wǎng)格計(jì)算回風(fēng)風(fēng)量為2700 m3/min、引排量分別為 400 m3/min和800 m3/min(分別簡(jiǎn)稱為工況1、工況2)條件下工作面及采空區(qū)空氣流場(chǎng)壓力和瓦斯?jié)舛确植记闆r。在此，也僅展示瓦斯?jié)舛确植紙D片，具體如圖5和圖6所示。

圖5 截面瓦斯?jié)舛确植?工況1)

圖6 截面瓦斯?jié)舛确植?工況2)

這兩個(gè)截面沿x向的位置坐標(biāo)也是3.0 m。從圖中可以看出，隨著引排量增大，采空區(qū)漏風(fēng)較大部分從頂回風(fēng)巷排出，也帶走了大量瓦斯;但是引排量增大勢(shì)必會(huì)影響工作面正常供風(fēng)，因此，采用該方法時(shí)，在保證工作面足夠需風(fēng)量條件下，適當(dāng)增大頂回風(fēng)巷引排量有利于采用去瓦斯的排出。

3.3 頂板巷抽采時(shí)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律數(shù)值模擬

同理，對(duì)于工作面采用頂板巷道抽采的方法治理采空區(qū)涌出瓦斯，也利用物理模型及網(wǎng)格計(jì)算當(dāng)回風(fēng)風(fēng)量2500 m3/min、抽采量800 m3/min和回風(fēng)風(fēng)量1800 m3/min、抽采量500 m3/min(分別簡(jiǎn)稱為工況1、工況2)條件下工作面及采空區(qū)空氣流場(chǎng)、瓦斯?jié)舛确植记闆r。在此，也僅展示瓦斯?jié)舛确植紙D片，具體如圖7和圖8所示。

圖7 截面瓦斯?jié)舛确植?工況1)

圖8 截面瓦斯?jié)舛确植?工況2)

這兩個(gè)截面沿x向的位置坐標(biāo)也是3.0 m。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)在頂板巷瓦斯抽采，采空區(qū)回風(fēng)隅角處瓦斯?jié)舛却蠓冉档?，基本控制了采空區(qū)向工作面的瓦斯涌出，起到“分流”瓦斯的作用，降低了采空區(qū)瓦斯?jié)舛龋瑢?duì)于防止上隅角瓦斯積聚效果明顯。當(dāng)回風(fēng)風(fēng)量一定時(shí)，抽采量越大，導(dǎo)流風(fēng)量的作用越大，越有利于采空區(qū)瓦斯排出。該方法實(shí)施過(guò)程中，若實(shí)際漏風(fēng)導(dǎo)流風(fēng)量達(dá)不到排放要求，可適當(dāng)采取增阻調(diào)壓措施。另外，在使用本方法過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)以盡可能控制采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)為前提，尤其對(duì)于有自燃發(fā)火危險(xiǎn)的煤層，應(yīng)注意采空區(qū)自燃問(wèn)題。

4 8104綜放面瓦斯治理方案選擇

8104綜放工作面采用綜采放頂煤開采工藝，全陷法管理頂板;眾所周知，這種工藝存在一個(gè)較為嚴(yán)重的問(wèn)題就是煤炭的采出率較低，采空區(qū)容易遺留大量煤炭;而該工作面所開采的3#煤層屬自燃煤層，最短發(fā)火期為60天;因此，采空區(qū)遺煤自燃是一個(gè)重大安全隱患。

根據(jù)上述數(shù)值模擬結(jié)果可知，在上隅角抽采和頂板巷抽采兩種條件下，都會(huì)加劇采空區(qū)漏風(fēng)，增加采空區(qū)遺煤自燃的風(fēng)險(xiǎn)，因此，從保障安全生產(chǎn)的角度來(lái)看，這兩種方案是不可取的。

對(duì)于第二種方案，即采用頂板巷自然引排，該方案基本能夠解決上隅角瓦斯積聚問(wèn)題，但是，可能影響工作面采場(chǎng)的正常供風(fēng)，使得工作面采場(chǎng)的瓦斯?jié)舛容^高。這種方案，在瓦斯防治方面雖然存在一定風(fēng)險(xiǎn)，但是，相對(duì)來(lái)說(shuō)風(fēng)險(xiǎn)較小;如果再增加一些輔助性技術(shù)措施，這個(gè)缺陷也是可以彌補(bǔ)的，如在采煤機(jī)切割煤炭的同時(shí)，借助噴霧系統(tǒng)，向煤炭噴灑活性劑，抑制瓦斯涌出，降低工作面煤壁和采落煤炭的瓦斯涌出量，從而有效降低工作面采場(chǎng)通風(fēng)治理瓦斯的壓力。

因此，根據(jù)8104綜放工作面的實(shí)際情況，建議采用頂板巷自然引排治理采空區(qū)瓦斯，防止上隅角瓦斯積聚，同時(shí)，向工作面采場(chǎng)噴灑活性劑，擬制瓦斯涌出，防止瓦斯超限。

5 結(jié)論

1)塔山煤礦8104綜放工作面開采的3#煤層，不具備本煤層瓦斯預(yù)抽條件，但對(duì)8104綜放工作面進(jìn)行鄰近層及采空區(qū)瓦斯抽采是可行的。

2)采用上隅角瓦斯抽采措施后，可以阻止采空區(qū)深部瓦斯向上隅角的涌入，從而降低上隅角瓦斯?jié)舛?，但是也?huì)使工作面新鮮風(fēng)流大量漏入采空區(qū)，容易導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃。

3)采用頂板巷自然引排瓦斯后，隨著引排量增大，也帶走了大量瓦斯;但是引排量增大勢(shì)必會(huì)影響工作面正常供風(fēng)，采場(chǎng)瓦斯?jié)舛热菀壮蕖?/p>

4)采用頂板巷密閉抽采措施后，采空區(qū)回風(fēng)隅角處瓦斯?jié)舛却蠓冉档停究刂屏瞬煽諈^(qū)向工作面的瓦斯涌出，起到“分流”瓦斯的作用，降低了采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，?duì)于防止上隅角瓦斯積聚效果明顯。但是，采空區(qū)遺煤自燃的風(fēng)險(xiǎn)也比較高。

5)根據(jù)8104綜放工作面的實(shí)際情況，建議采用頂板巷自然引排和噴灑活性劑相結(jié)合的措施來(lái)治理瓦斯，既可有效防止上隅角瓦斯超限，又可最大限度降低對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火的影響。

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