趙若鵬

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 鎮(zhèn)城底礦，山西 太原030000）

0 引 言

在礦井開采過程中，瓦斯問題一直威脅著礦山的安全，據(jù)統(tǒng)計21世紀(jì)由瓦斯引起的事故占據(jù)了3成左右。隨著礦山機(jī)械設(shè)備的不斷更新，礦井的開采速度不斷加速，礦井的瓦斯治理難度不斷加大。尤其是對于堅硬頂板方面，上隅角及風(fēng)巷位置常常出現(xiàn)瓦斯聚集，嚴(yán)重影響著礦井的正常開采[1-2]。針對瓦斯治理難的問題，眾多國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行過一定的研究，此前黃旭超[3]為解決以往條帶瓦斯預(yù)抽鉆孔抽采濃度低、工程量大等問題，提出定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)通過施加4個定向長鉆孔，單日瓦斯的抽采濃度最大高達(dá)73.8%，抽采純量提升至23 017 m3/d，有效實(shí)現(xiàn)了定向條帶的區(qū)域消突。張春璞[4]為消除煤層瓦斯突出的危險性，采用順槽鉆孔預(yù)抽技術(shù)來解決煤層瓦斯問題。通過對技術(shù)的實(shí)施及現(xiàn)場實(shí)踐，確保了綜采工作面的高效生產(chǎn)，提升了礦山經(jīng)濟(jì)效益。本文以鎮(zhèn)城底礦28620工作面為研究背景，通過對工作面瓦斯涌出規(guī)律的研究，制定了相應(yīng)的工作面上隅角瓦斯治理方案，為礦井瓦斯治理提供一定的參考及借鑒。

1 礦井概況及數(shù)值模擬研究

鎮(zhèn)城底礦位于山西省古交市西北處，井田面積約16.63 km2，年設(shè)計生產(chǎn)能力為190萬t。28620工作面地表位于王家坡村（已搬遷）以南，十字巖村（已搬遷）東北，元家山村（已搬遷）以東，興能電廠排灰通道下方，地表溝谷縱橫，地表標(biāo)高1 140—1 248 m，蓋山厚度為412～575 m，工作面周邊有T4、435兩個煤田地質(zhì)鉆孔，無煤層氣孔、水源井和小窯。工作面井下位于南六下組采區(qū)，為南六下組采區(qū)首采工作面，南鄰礦界，北東接下組煤回風(fēng)、皮帶、軌道巷，北東為28615工作面（現(xiàn)掘），其它為未采區(qū)。工作面上部2.3號煤工作面有22618工作面（已采）、22620（已采）和22620-1工作面（已采），工作面與上組煤2.3號煤層間距平均為79 m。

28620工作面回采過程中，由于工作面堅硬頂板的存在，造成采空區(qū)形成空腔，同時考慮到工作面采用放頂煤開采技術(shù)，使得采空區(qū)瓦斯賦存情況十分嚴(yán)重。當(dāng)采空區(qū)出現(xiàn)冒頂時，采空區(qū)的瓦斯被大量擠出，嚴(yán)重影響工作面的安全。為了解決工作面開采初期的瓦斯超限問題，臨時設(shè)置有抽采系統(tǒng)，通過埋管、插管來實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采，但效果不佳[5-6]。

通過對工作面瓦斯含量進(jìn)行測定可知，在回風(fēng)巷的最大濃度約為0.42%～0.88%，一般平均濃度在0.3%～0.46%，上隅角的瓦斯?jié)舛葹?.68%～1.4%，一般平均濃度在0.45%～0.62%，再生產(chǎn)過程中上隅角瓦斯超限和工作面瓦斯超限分別出現(xiàn)19次和7次，因此解決瓦斯超限十分重要[7]。

2 數(shù)值模擬研究

為了更好的治理瓦斯超限問題，本文利用數(shù)值模擬軟件對瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行一定的分析，首先在進(jìn)行模型建立，采空區(qū)視為多孔介質(zhì)，在采空區(qū)的瓦斯流動均遵循質(zhì)量、能量、動量守恒定律。在采空區(qū)回采過程中，礦井設(shè)備、漏風(fēng)等因素均會影響瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究，本文作出如下假設(shè)，空氣不可壓縮；巷道為標(biāo)準(zhǔn)巷道，不考慮設(shè)備及變形的影響；不考慮采空區(qū)的漏風(fēng)情況。建立進(jìn)風(fēng)巷長寬高分別為200、5、3 m；回風(fēng)巷的長寬高分別設(shè)定為200、4、3 m；中間巷的長寬高分別為200、3.8、2.6 m。模型的冒落帶和裂隙帶分別設(shè)定為16.23 m和53.28 m。完成模型設(shè)定后對模型進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。重力為9.8 N/kg，混合氣體中的瓦斯密度設(shè)定為0.71 kg/m3，模擬采用質(zhì)量入口邊界，設(shè)定進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)量為930 m3/min，進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)量為19 kg/s，中間巷的空氣密度為1.232 kg/m3，進(jìn)風(fēng)量為279 m3/min。模擬結(jié)果如圖1所示。

圖1 瓦斯分布濃度云圖Fig.1 Cloud of gas distribution and concentration

由圖1可以看出，工作面下部的采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷的淺部位置瓦斯?jié)舛容^小，而在工作面回風(fēng)側(cè)的深部濃度較高。根據(jù)走向的瓦斯分布規(guī)律可以看出，隨著采空區(qū)寬度的增大，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出增大的趨勢，但當(dāng)采空區(qū)與工作面的距離增大到一定的程度時，此時的瓦斯?jié)舛戎鸩节呌诜€(wěn)定。而在回風(fēng)側(cè)，隨著采空區(qū)向著深部延伸過程中瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)逐步增大的趨勢，瓦斯?jié)舛确植济娣e也增大，同時對比可以看出，回風(fēng)側(cè)的瓦斯?jié)舛让黠@更大。這主要是由于采空區(qū)的瓦斯?jié)舛仁艿交仫L(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷的影響，越靠近回風(fēng)巷的位置采空區(qū)瓦斯涌出量越大。根據(jù)層位和傾向的瓦斯?jié)舛确植记闆r可以看出，層位越高，瓦斯?jié)舛仍酱?，這是由于質(zhì)量密度決定的，瓦斯比重較低，浮于空氣，所以層位越高瓦斯?jié)舛仍酱骩8-9]。而在傾向方向上由于風(fēng)流的影響使得進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)的瓦斯?jié)舛鹊陀诨仫L(fēng)側(cè)采空區(qū)濃度。采空區(qū)的瓦斯?jié)舛确植际遣粚ΨQ的，越靠近上隅角位置的采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍酱?，在距離工作面較遠(yuǎn)的采空區(qū)，由于風(fēng)流影響較小，瓦斯?jié)舛确植贾鸩节呌趯ΨQ。

3 瓦斯治理研究

可以看出堅硬頂板綜方面的采空區(qū)瓦斯大量聚集，同時瓦斯主要集中在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)和頂端位置，在礦井正常生產(chǎn)過程中，采空區(qū)瓦斯隨著風(fēng)流涌入工作面，造成瓦斯超限。

在進(jìn)行瓦斯治理時，首先需要進(jìn)行合理的配風(fēng)，當(dāng)配風(fēng)量較小時，工作面的瓦斯無法有效帶出，當(dāng)配風(fēng)量較大時，則會增大采空區(qū)的漏風(fēng)，因此要進(jìn)行合理的配風(fēng)[10]。在采空區(qū)進(jìn)行埋管設(shè)計，在工作面的回風(fēng)側(cè)上端鋪設(shè)1條管理，同時在距工作面開切眼40 m的位置布置彎管，在巷道的頂部設(shè)置三通風(fēng)叉，用篩網(wǎng)對抽采管口進(jìn)行保護(hù)。在回風(fēng)巷抽采管道設(shè)置3～5個出口，同時利用長度10 m的鋼絲橡膠管進(jìn)行支路連接。采空區(qū)埋管、插管聯(lián)合布置示意如2所示。

圖2 采空區(qū)插管埋管聯(lián)合布置示意Fig.2 Joint arrangement of cannulated and buried pipes in goaf

根據(jù)設(shè)計方法進(jìn)行施工，對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，為了驗(yàn)證方案的可行性，對抽采氣體的含量及指標(biāo)進(jìn)行一定的統(tǒng)計研究，首先對臨時泵的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?；旌狭髁考俺椴赏咚?jié)舛冉y(tǒng)計圖如3所示。

由圖3可知，移動泵站的主管路抽采的流量為32.99～54.92 m3/min，管路超粗愛的瓦斯?jié)舛绕骄壤s為2.64%，主管路的最大抽采濃度占比為3.57%，采空區(qū)瓦斯的抽采量總值為52 385.9 m3。瓦斯抽采隨著工作面的推進(jìn)，瓦斯抽采率大部分超過20%，僅僅在工作面推進(jìn)至380 m附近時瓦斯抽采率低于20%，這是由于隨著工作面的推進(jìn)，鉆孔抽采的效果逐步降低，整體瓦斯抽采效果較好。

圖3 瓦斯抽采參數(shù)統(tǒng)計Fig.3 Statistics of gas extraction parameters

4 結(jié) 論

（1）通過對鎮(zhèn)城底礦28620工作面原有瓦斯量進(jìn)行分析，給出為了相應(yīng)的數(shù)值模擬模型，為工作面瓦斯運(yùn)移研究打下基礎(chǔ)。

（2）通過對工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，工作面下部的采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷的淺部位置瓦斯?jié)舛容^小，而在工作面回風(fēng)側(cè)的深部濃度較高。

（3）給出為了相應(yīng)的瓦斯治理方案，通過現(xiàn)場實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)整體瓦斯抽采效率均大于20%，瓦斯抽采效果較好。