姜黎明

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

高瓦斯礦井回采工作面采空區(qū)瓦斯涌出量大，工作面上隅角瓦斯極易超限，針對(duì)這一難題，前人通過(guò)大量的研究與實(shí)踐，一部分研究人員[1]采用高抽巷控制采空區(qū)瓦斯向工作面涌出，卻存在工程量大成本高的缺點(diǎn)，一部分研究人員[2-10]將回采工作面改造為偏Y型、 U+I型、并列雙U、Y型等通風(fēng)方式，盡管有效地解決了采空區(qū)上隅角瓦斯超限問(wèn)題，但同時(shí)引發(fā)其他眾多問(wèn)題，如采空區(qū)沿空留巷維護(hù)困難、排瓦斯聯(lián)絡(luò)巷瓦斯易超限、采空區(qū)漏風(fēng)量大、通風(fēng)系統(tǒng)不穩(wěn)定、采空區(qū)易自燃[11]等安全問(wèn)題，因此，除了上隅角瓦斯易超限這一危險(xiǎn)隱患外，U型通風(fēng)方式的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于其他通風(fēng)方式，如果能解決U型通風(fēng)方式下工作面上隅角瓦斯超限難題，U型通風(fēng)方式為最佳通風(fēng)方式。

本文選取晉煤集團(tuán)成莊煤礦4312綜放工作面為研究對(duì)象，該礦井為具有代表性的高瓦斯礦井，該工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)結(jié)果為29.54m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出約占82%，采空區(qū)瓦斯大量涌出為工作面上隅角瓦斯超限問(wèn)題的重要原因，為解決采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯漏風(fēng)流向上隅角區(qū)域涌出，采用采空區(qū)瓦斯抽采措施可有效降低采空區(qū)內(nèi)氣壓，使采空區(qū)氣壓最低點(diǎn)由上隅角轉(zhuǎn)移至采空區(qū)深部，可抑制采空區(qū)漏風(fēng)流向上隅角方向流動(dòng)。

成莊煤礦4312綜放工作面采用 “兩進(jìn)兩回”的U型通風(fēng)方式，本文通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)效果驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，對(duì)采取采空區(qū)瓦斯高效抽采措施之后能否解決工作面上隅角瓦斯超限難題進(jìn)行了科學(xué)的研究。

1 綜放工作面概況

晉煤集團(tuán)成莊煤礦4312工作面采用走向長(zhǎng)壁、后退式綜合機(jī)械化放頂煤，一次采全高頂板全部垮落采煤法，開采煤層為3#煤層，煤層平均厚度6.55m，綜合回采率為93%，其中機(jī)采回采率為97%，放頂煤回采率為90%，煤層平均傾角4°。該工作面采用“兩進(jìn)兩回” U型通風(fēng)布置方式，工作面通風(fēng)阻力約為301Pa，采空區(qū)瓦斯涌出為24.22m3/min，其中采空區(qū)遺煤瓦斯涌出占17%，采空區(qū)臨近煤層瓦斯涌出占65%，工作面回采巷道風(fēng)量見表1。

表1 4312綜放工作面回采巷道風(fēng)量參數(shù)

2 采空區(qū)瓦斯抽采設(shè)計(jì)

在43122巷內(nèi)30#、24#、20#、15#、10#聯(lián)絡(luò)巷口布置高位鉆孔，每個(gè)聯(lián)絡(luò)巷口布置四個(gè)鉆孔，根據(jù)采空區(qū)裂隙帶高度確定高位孔鉆孔最佳布置層位為40m。在3#、7#、10#、14#、18#、22#、25#聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)施工中位鉆孔，每個(gè)聯(lián)絡(luò)巷布置8個(gè)中位鉆孔，布置兩個(gè)層位，其中1#、3#、5#、7#鉆孔設(shè)計(jì)層位為煤層頂板以上20m，2#、4#、6#、8#鉆孔設(shè)計(jì)層位為煤層頂板以上25m。在43122巷內(nèi)設(shè)計(jì)施工穿透鉆孔，單孔孔深為20m，以穿透切眼為準(zhǔn)，開孔間距均為10m。隨綜采工作面推進(jìn)，聯(lián)絡(luò)巷逐個(gè)進(jìn)入采空區(qū)，在進(jìn)入采空區(qū)的密閉聯(lián)絡(luò)巷安裝采空區(qū)瓦斯抽采管路，對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯混合氣體進(jìn)行大流量抽采，采空區(qū)鉆孔布置如圖1所示。

圖1 4312綜放工作面采空區(qū)鉆孔布置示意圖

3 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移模型建立

3.1 采空區(qū)滲流模型

采空區(qū)在水平方向上形成自然冒落區(qū)、上覆巖層載荷影響區(qū)、重新壓實(shí)區(qū)，在豎直方向上形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶。彎曲下沉帶內(nèi)巖層裂隙不發(fā)育，無(wú)法形成范圍的氣體運(yùn)移通道，故采空區(qū)瓦斯運(yùn)移主要集中于冒落帶與裂隙帶。

根據(jù)參考文獻(xiàn)可得[9-14]，采空區(qū)內(nèi)碎脹系數(shù)與孔隙率存在定量關(guān)系，采空區(qū)冒落帶范圍內(nèi)采空區(qū)內(nèi)各位置空隙率分布符合“O”形圈。采空區(qū)裂隙帶范圍內(nèi)巖層層位關(guān)系未被破壞，大量縱向、橫向裂隙發(fā)育，該區(qū)域可近似為空隙率為常數(shù)的多孔介質(zhì)區(qū)域，采空區(qū)內(nèi)各位置空隙率計(jì)算公式。

式中，L為綜放工作面長(zhǎng)度，m；H為采空區(qū)冒落帶高度，m；x為采空區(qū)某一位置距工作面的垂直距離，m；y為采空區(qū)某一位置距回風(fēng)巷巷幫的垂直距離，m；z為采空區(qū)某一位置距煤層底板的垂直距離，m；kp.max為采空區(qū)自然堆積區(qū)內(nèi)煤壁支撐影響區(qū)平均碎脹系數(shù)，根據(jù)計(jì)算取1.5；kp.min為采空區(qū)壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)中心位置處碎脹系數(shù)，根據(jù)計(jì)算取1.15；n(x，y，z)為采空區(qū)某一位置空隙率，取1。

通過(guò)采空區(qū)空隙率可計(jì)算得到采空區(qū)粘性阻力系數(shù)與采空區(qū)慣性阻力系數(shù)，計(jì)算公式如(3)。

式中，α(x，y，z)為采空區(qū)某一位置滲透阻力系數(shù)，m-2；C(x，y，z)為采空區(qū)某一位置慣性阻力系數(shù)，m-1；DP為采空區(qū)垮落巖塊平均粒度，m。

采空區(qū)內(nèi)孔隙-裂隙系統(tǒng)發(fā)育，相比于煤層內(nèi)瓦斯流動(dòng)，采空區(qū)內(nèi)氣流速度大，采空區(qū)內(nèi)氣體流動(dòng)屬于過(guò)渡流甚至湍流，屬于高速非線性流，慣性力對(duì)滲流過(guò)程的影響不可忽略，采空區(qū)內(nèi)滲流用福希海默方程(二項(xiàng)式公式)來(lái)描述，見式(4)，在式(4)的基礎(chǔ)上可推導(dǎo)出采空區(qū)透氣性系數(shù)公式，如式(5)。

式中，ρf為風(fēng)流密度，kg/m3；Vi為采空區(qū)某一位置某一方向風(fēng)速，i分別取X，Y，Z三個(gè)方向，m/s；U為采空區(qū)某一位置風(fēng)速矢量，m/s；μ為空氣動(dòng)力粘度，取值為17.9×10-6Pa·s；P為氣體壓力，Pa；Ki為采空區(qū)某一位置某一方向透氣性系數(shù)，i分別取X，Y，Z三個(gè)方向，m2/(MPa2·d)。

3.2 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移模型

3.2.1 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移模型控制方程組

采空區(qū)為多孔介質(zhì)模型，采空區(qū)不同區(qū)域的氣流雷諾數(shù)存在明顯差異，氣體流動(dòng)過(guò)程中存在粘性阻力損失和慣性阻力損失，滿足冪定律，這些方程組如式(6)。

式中，CCH4為瓦斯?jié)舛龋?；DCH4為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；SCH4為瓦斯源項(xiàng)，m3/ (m3·s)。

3.2.2 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移模型邊界條件設(shè)置

本文主要研究采空區(qū)瓦斯涌出對(duì)采空區(qū)及回采巷道內(nèi)瓦斯分布規(guī)律的影響，采空區(qū)邊界條件設(shè)置見表2。

3.2.3 采空區(qū)滲流特性及瓦斯放散源設(shè)置

采空區(qū)瓦斯涌出源的設(shè)置使用UDF宏DEFINE_SOURCE進(jìn)行自定義設(shè)置。采空區(qū)的孔隙率分布、采空區(qū)粘性阻力系數(shù)分布、采空區(qū)慣性阻力系數(shù)分布、采空區(qū)瓦斯源分布使用UDF宏DEFINE_PROFILE進(jìn)行自定義設(shè)置。

表2 采空區(qū)邊界條件設(shè)置

3.2.4 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移幾何模型

成莊礦4312綜放工作面實(shí)際布置情況參數(shù)見表3。

表3 4312綜放工作面及采空區(qū)參數(shù)

4312綜放工作面的回采長(zhǎng)度約為2358m，回采期間大部分時(shí)間采空區(qū)三帶處于穩(wěn)定發(fā)育階段，不同采空區(qū)抽采措施下采空區(qū)幾何模型如圖2所示，建模過(guò)程中進(jìn)行了以下處理：①在不影響對(duì)采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律研究的前提下，為了節(jié)約計(jì)算量，建模過(guò)程中忽略工作面尾巷(已密閉)、采空區(qū)內(nèi)已密閉聯(lián)絡(luò)巷以及支護(hù)煤柱；②綜放工作面進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建模過(guò)程中忽略幾何形狀的綜采設(shè)備(采煤機(jī)、支架)，因回采面通風(fēng)阻力大，因此將綜放工作面設(shè)為多孔介質(zhì)，根據(jù)工作面兩端壓差實(shí)測(cè)值與工作面長(zhǎng)計(jì)算得到多孔介質(zhì)粘性阻力系數(shù)，近似模擬出實(shí)際綜采工作面氣壓分布；③與綜放工作面和采空區(qū)相比，采空區(qū)內(nèi)抽采鉆孔直徑尺寸過(guò)小，為了突出顯示鉆孔布置層位以及鉆孔長(zhǎng)度，幾何模型圖與模擬結(jié)果圖中將鉆孔部分進(jìn)行了局部放大處理，以增強(qiáng)顯示效果。

4 采空區(qū)瓦斯分布數(shù)值模擬研究

4.1 單一抽采措施下采空區(qū)瓦斯分布

對(duì)未采取抽采措施條件下采空區(qū)瓦斯涌出情況進(jìn)行模擬，分別對(duì)采取單一采空區(qū)抽采措施條件下采空區(qū)瓦斯涌出情況進(jìn)行模擬，通過(guò)模擬結(jié)果優(yōu)選抽采效果顯著的抽采措施，建立采空區(qū)綜合立體化抽采體系，并對(duì)該采空區(qū)綜合立體化抽采體系下采空區(qū)瓦斯涌出情況進(jìn)行模擬，對(duì)其瓦斯抽采效果進(jìn)行了數(shù)值模擬。

不同抽采措施條件下4312綜放工作面Z=2m平面內(nèi)采空區(qū)內(nèi)風(fēng)速分布情況如圖3所示，由圖3可得抽采措施作用下采空區(qū)內(nèi)風(fēng)速越大，抽采措施的使用一定程度上改變了采空區(qū)局部區(qū)域風(fēng)速場(chǎng)，特別上隅角區(qū)域風(fēng)流場(chǎng)，使得上隅角區(qū)域難以聚集大量采空區(qū)污風(fēng)流。

圖2 不同采空區(qū)抽采措施下4312綜放工作面采空區(qū)幾何模型圖

不同抽采措施條件下4312綜放工作面Z=2m平面內(nèi)采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布情況如圖4所示，由圖4可得：采取措施條件下采空區(qū)瓦斯?jié)舛让黠@小于未采取措施，采空區(qū)抽采措施在抽采采空區(qū)瓦斯的同時(shí)會(huì)改變采空區(qū)內(nèi)瓦斯的存儲(chǔ)分布情況，采空區(qū)抽采措施將采空區(qū)內(nèi)瓦斯滯留于遠(yuǎn)離綜采工作面的采空區(qū)深部；高位鉆孔措施與采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷埋管措施的瓦斯抽采效果明顯優(yōu)于底板攔截鉆孔、穿透鉆孔、中位鉆孔措施下。

4.2 高效立體化抽采措施下采空區(qū)瓦斯分布

4312綜放工作面選擇采用高位鉆孔措施與采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷埋管措施，建立4312綜放工作面采空區(qū)綜合立體化抽采體系，對(duì)“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷埋管”立體化抽采措施下4312綜放工作面采空區(qū)風(fēng)速與瓦斯?jié)舛确植记闆r進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，幾何模型與模擬結(jié)果如圖5所示。

圖3 不同抽采措施條件下4312綜放工作面Z=2m平面內(nèi)風(fēng)速分布對(duì)比情況

圖4 不同抽采措施條件下4312綜放工作面Z=2m平面內(nèi)瓦斯分布對(duì)比情況

圖5 “高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷埋管”立體化措施下4312綜放工作面采空區(qū)幾何模型與模擬結(jié)果

不同抽采措施下4312綜放工作面回采巷道瓦斯?jié)舛葘?duì)比情況見表4。

表4 不同采空區(qū)抽采措施下4312綜放工作面回采巷道瓦斯?jié)舛惹闆r對(duì)比

由表4可得，4312綜放工作面上隅角處瓦斯?jié)舛茸畲笾颠_(dá)到1.64%，43122回風(fēng)巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.88%，43124回風(fēng)巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.82%，無(wú)法滿足《煤礦安全規(guī)程》中回采巷道瓦斯?jié)舛纫?，采取“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷埋管”立體化抽采措施后，4312綜放工作面上隅角處瓦斯?jié)舛茸畲笾到档椭?.49%，43122回風(fēng)巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冉档椭?.17%，43124回風(fēng)巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冉档椭?.35%，滿足《煤礦安全規(guī)程》中回采巷道瓦斯?jié)舛纫蟆?/p>

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

根據(jù)模擬結(jié)果提出的“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷埋管”采空區(qū)瓦斯立體化高效抽采措施，在成莊4312綜放工作面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果得出：4312綜采工作面上隅角最大瓦斯?jié)舛仍?.45%左右，平均瓦斯?jié)舛葹?.35%左右；43124巷最大瓦斯?jié)舛仍?.50%左右，平均瓦斯?jié)舛葹?.38%左右；43122巷最大瓦斯?jié)舛仍?.20%左右，平均瓦斯?jié)舛葹?.14%左右，采用采空區(qū)瓦斯立體化高效抽采措施實(shí)現(xiàn)了高瓦斯礦井綜采工作面U型通風(fēng)方式改造。

6 結(jié) 論

1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料建立4312綜放工作面采空區(qū)高位鉆孔、中位鉆孔、穿透鉆孔、采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷埋管四種采空區(qū)瓦斯抽采措施的數(shù)值計(jì)算模型，根據(jù)模擬結(jié)果建立了4312綜放工作面采空區(qū)“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷埋管”立體化瓦斯抽采措施體系。

2)根據(jù)采空區(qū)“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷埋管”瓦斯立體化抽采數(shù)值計(jì)算模型的模擬結(jié)果可得，工作面上隅角處瓦斯?jié)舛茸畲笾到档椭?.42%，43122回風(fēng)巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冉档椭?.17%，43124回風(fēng)巷內(nèi)平均瓦斯?jié)舛冉档椭?.35%，模擬結(jié)果表明采空區(qū)瓦斯立體化高效抽采措施可有效解決上隅角瓦斯超限難題。

3)成莊礦4312綜放工作面現(xiàn)場(chǎng)采取“高位鉆孔+采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷埋管”采空區(qū)瓦斯立體化高效抽采措施，工作面上隅角瓦斯?jié)舛忍幱?.30%～0.45%之間，43122巷平均瓦斯?jié)舛燃s為0.14%，43124巷平均瓦斯?jié)舛燃s為0.38%?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果驗(yàn)證了數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，研究表明：采空區(qū)瓦斯立體化高效抽采措施能夠治理高瓦斯礦井回采工作面U型通風(fēng)方式下上隅角瓦斯超限難題。