張增輝，薛彥平

（1.國家能源神東煤炭集團保德煤礦，山西忻州 036600；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧撫順 113122）

瓦斯是威脅煤礦井下安全生產(chǎn)最重要因素之一[1]，綜放開采工藝在高產(chǎn)高效高瓦斯礦井應(yīng)用過程中常因回風(fēng)隅角瓦斯積聚而影響工作面安全生產(chǎn)，而采空區(qū)是主要瓦斯來源，占30%～60%[2]。采空區(qū)屬于塌陷冒頂區(qū)域，無法通過人員直接檢測瓦斯分布參數(shù)，目前只能通過束管采樣的方式測定采空區(qū)瓦斯氣體情況，但束管采樣存在測量數(shù)據(jù)誤差大，測量區(qū)域有限等諸多不利條件。隨著流體流場模擬技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，對采空區(qū)瓦斯分布進行數(shù)字模擬成為一種行之有效的技術(shù)手段[3]。保德煤礦綜放工作面由于產(chǎn)量集中，加之采空區(qū)瓦斯抽采量和抽采間距依據(jù)性不強，回采期間經(jīng)常出現(xiàn)回風(fēng)隅角和回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)瀕臨超限的問題，嚴重影響安全高效生產(chǎn)。為此，通過研究綜放工作面采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律，多角度數(shù)值模擬不同條件下埋管抽采對回風(fēng)隅角瓦斯運移和濃度分布情況的影響，確定最佳采空區(qū)埋管抽采參數(shù)，為有效解決采空區(qū)瓦斯治理提供行之有效的方案和科學(xué)合理的依據(jù)。

1 工作面概況

81308 綜放工作面位于8 號煤二號主、輔運大巷以南，井田邊界以北，工作面以東為81307 綜放工作面采空區(qū)，以西為81309 備用工作面。工作面寬240 m，可采長度2 545 m，煤層平均厚度6.4 m，傾角平均4°，平均含夾矸3 層，單層夾矸最大厚度0.8 m，屬于較穩(wěn)定煤層。開采煤層為自燃煤層，煤塵具有爆炸性。采用綜合機械化放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板，工作面設(shè)計采高3.7 m，放煤高度2.6 m，采放比為1∶0.7，設(shè)計日產(chǎn)量1.3 萬t/d，回采率93%?；夭擅毫繛?67 萬t，設(shè)計回采周期14 個月。工作面區(qū)域煤層原始瓦斯含量5.95 m3/t，采取了預(yù)抽煤層瓦斯的治理措施。工作面采前煤層殘余可解吸瓦斯含量最大3.78 m3/t，采前瓦斯抽采達標。通過分源預(yù)測法測算并參考鄰近工作面回采期間瓦斯涌出數(shù)據(jù)，工作面鄰近層和開采層通過采空區(qū)涌出的瓦斯量將占工作面瓦斯涌出總量的60%以上。

2 工作面采空區(qū)瓦斯運移模型

2.1 數(shù)學(xué)模型建立的基本條件

1）采空區(qū)氣體流動是個復(fù)雜的滲流過程，受制于支護條件、推進速度、采放比例、頂板垮落、采空區(qū)漏風(fēng)等因素?？傮w上看，采空區(qū)內(nèi)氣體可視為恒溫不可壓縮氣體，適用質(zhì)量和動量守恒定律。

2）煤巖充填空間視為各向同性均質(zhì)的含孔隙、裂隙的多孔介質(zhì)，氣體流動服從達西定律，主要以擴散形式運移[4]。采空區(qū)內(nèi)氣體為氧氣、氮氣和甲烷組成的混合氣體，不考慮裂隙水；遺煤瓦斯壓力較低，考慮為理想氣體，采空區(qū)氣體流動為等溫過程。

3）采空區(qū)矸石垮落和遺煤充填空間視為各向同性均質(zhì)的含孔隙裂隙的多孔介質(zhì)，遺煤和鄰近煤層連續(xù)釋放瓦斯。

基于上述假設(shè)和基本條件，構(gòu)建符合連續(xù)性方程、動量方程和成分守恒方程的三維空間不可壓縮氣體流動的數(shù)值模型。

式中：ρ 為氣體密度，kg/m3；φ 為各方向上速度矢量或瓦斯體積分數(shù)求解變量的通用變量；t 為時間，s；u 為平均流速向量的分量，m/s；Γ 為廣義擴散系數(shù)；S 為廣義源項[5]。

2.2 采空區(qū)滲透率

采空區(qū)氣體流動，孔隙率和滲透率隨著垮落和充填物質(zhì)參數(shù)發(fā)生變化，基于Kozeny-Carman 方程，構(gòu)建采空區(qū)滲透率和孔隙率的動態(tài)變化方程。

式中：κ 為滲透率，μm2；Dp為介質(zhì)的粒徑，m；n為介質(zhì)的孔隙率，其大小取決于介質(zhì)碎脹參數(shù)。

采空區(qū)多孔介質(zhì)滲透率受到工作面推進長度、傾向長度、頂?shù)装鍘r性及垮落、鄰近煤層及保安煤柱等相關(guān)參數(shù)影響，不同研究人員和不同計算方式確定的參數(shù)有很大差異[6]。

綜放工作面瓦斯涌出主要來自于煤壁、落煤和采空區(qū)[7]。依據(jù)鄰近已采81307 綜放工作面實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)推測，81308 綜放工作面絕對瓦斯涌出量約為16.2 m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出約10.9 m3/min。

2.3 邊界條件及物理模型

81308 綜放工作面通風(fēng)方式為“U”型下行通風(fēng)，即81308 1#進風(fēng)巷和81308 運輸巷進風(fēng)、81308 運輸巷靠近切眼處聯(lián)巷回風(fēng)，81308 綜放工作面布置示意圖如圖1。

圖1 81308 綜放工作面布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of layout of 81308 fully mechanized caving face

忽略其他因素的影響，僅考慮瓦斯抽采對采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布的動態(tài)影響。參考81307 綜放工作面現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，81308 綜放工作面采空區(qū)“兩道”浮煤厚度約4.3 m，中部采空區(qū)浮煤厚度約1.2 m，采空區(qū)深部距離工作面500 m 處按照壁面處理，采空區(qū)滲流范圍為工作面2 道之間的松散煤巖體以及跨落帶和斷裂帶。在高出煤層一定范圍后的漏風(fēng)量很小，故假定影響滲流的裂隙帶在采空區(qū)范圍內(nèi)各處高度一樣。因此，81308 工作面采空區(qū)物理模型范圍為：工作面長度240 m，采空區(qū)深部距工作面500 m；中部浮煤厚度為1.2 m，“兩道”厚度為4.3 m，將“兩道”煤柱和采空區(qū)深部500 m 設(shè)為漏風(fēng)邊界。以采空區(qū)進風(fēng)側(cè)外邦為坐標原點，向回風(fēng)側(cè)方向為x 方向，垂直工作面到采空區(qū)深部方向為y 方向。

2.4 幾何模型及網(wǎng)格劃分

采煤工作面配備型號、尺寸各異的設(shè)備，難以完全按照實際條件建立幾何模型，在設(shè)計模型時理想化參數(shù)條件，忽略采煤工作面各種設(shè)備的影響。將采煤工作面及其進回風(fēng)巷都按矩形斷面處理[8-9]。最終設(shè)計簡化模型尺寸為：巷道寬5.2 m，高3.5 m，工作面長240 m，采空區(qū)長500 m，高30 m，同時對模型進行網(wǎng)格劃分。

3 模擬結(jié)果

3.1 埋管布置間距對回風(fēng)隅角瓦斯分布規(guī)律影響

采用Fluent 流體數(shù)值模擬軟件對工作面及回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)分布規(guī)律進行數(shù)值模擬，不同埋管間距下采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)云圖如圖2，不同埋管間距下工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)如圖3。

圖2 不同埋管間距下采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)Fig.2 Goaf gas concentration diagrams under different pipe spacings

圖3 不同埋管間距下工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)Fig.3 Gas concentration of working face, return air corner and return air flow under different pipe spacings

通過圖2 和圖3 可知，當(dāng)布置間距為130 m 時，埋管布置間距較大時，有效抽采半徑無法覆蓋回風(fēng)隅角區(qū)域，治理效果差，回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)為1.12%，回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)為0.94%，回風(fēng)隅角和回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)瀕臨報警值。當(dāng)布置間距小于等于120 m 時，有效抽采半徑覆蓋回風(fēng)隅角區(qū)域，治理效果明顯，回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)為0.80%，回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)為0.70%。綜合考慮巷道條件和經(jīng)濟效益等因素，建議埋管間距設(shè)置在90～120 m范圍內(nèi)均比較合適。

3.2 抽采流量對回風(fēng)隅角瓦斯分布規(guī)律影響

基于采空區(qū)埋管抽采流量分別為500、600、700 m3/min 條件下，對工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)分布規(guī)律進行數(shù)值模擬，不同埋管抽采量下的采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)云圖如圖4，不同瓦斯抽采流量下的工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)如圖5。

圖4 不同埋管抽采量下采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)Fig.4 Goaf gas concentration diagrams under different gas drainage amount of buried pipe

圖5 不同抽采流量下的工作面、回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)Fig.5 Gas concentration of working face, return air corner and return air flow under different gas drainage flow

通過圖4 和圖5 可知，抽采流量越大，工作面及回風(fēng)隅角瓦斯的治理效果越好。在抽采流量為500 m3/min 條件下，回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)為1.1%，回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)為1.04%；在抽采流量為600 m3/min條件下，回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)為0.68%，回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)為0.59%；在抽采流量為700 m3/min 條件下，回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)為0.32%，回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)為0.28%?？紤]到瓦斯抽采流量越大，采空區(qū)漏風(fēng)越嚴重，易造成采空區(qū)遺煤自燃[10-11]，建議抽采流量為600 m3/min，并采取一定的安全措施。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

保德煤礦81308 綜放工作面2019 年5 月開始回采，采用“U”型下行通風(fēng)，配風(fēng)量2 100 m3/min，沿81308 輔運巷設(shè)置1 趟DN800 mm 抽采主管，運輸巷和輔運巷之間通過聯(lián)巷或煤柱螺旋鉆孔設(shè)置DN800 mm 抽采支管。在間距大于100 m 的聯(lián)巷中間施工大孔徑螺旋鉆孔布置抽采支管，保證抽采支管間距在70～120 m 之間。為確保采空區(qū)瓦斯抽采安全，采取了自動監(jiān)控和人工監(jiān)控自然發(fā)火標志性氣體的安全措施，并在距最近在用抽采支管口100 m 范圍內(nèi)安設(shè)自動噴粉抑爆裝置。

4.1 抽采參數(shù)與回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)關(guān)系

1）抽采量是回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)主要控制因素。抽采量在500 m3/min 左右時，回風(fēng)隅角周平均瓦斯體積分數(shù)為0.8%，實測最大值超過1%；抽采量在610 m3/min 左右時，回風(fēng)隅角周平均瓦斯體積分數(shù)在0.4%左右，實測最大值0.6%；抽采量在680 m3/min 左右時，回風(fēng)隅角周平均瓦斯體積分數(shù)在0.24%左右，實測最大值0.42%。

2）埋管間距為回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)的次要控制因素。在相同抽采量的前提下，回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)隨埋管間距增大而增大，在間距70～120 m 范圍內(nèi)，回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)在±0.18%的范圍內(nèi)波動。2019 年4 月至11 月期間，抽采參數(shù)及回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)統(tǒng)計圖如圖6。

圖6 抽采參數(shù)及回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)統(tǒng)計圖Fig.6 Statistics of drainage parameters and return air corner gas concentration

4.2 抽采參數(shù)與回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)關(guān)系

1）抽采量是回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)主要控制因素。抽采量在500 m3/min 左右時，回風(fēng)流周平均瓦斯體積分數(shù)為0.6%，實測最大值超過0.92%；抽采量在610 m3/min 左右時，回風(fēng)流周平均瓦斯體積分數(shù)為0.3%，實測最大值0.5%；抽采量在680 m3/min 左右時，回風(fēng)流周平均瓦斯體積分數(shù)在0.18%左右，實測最大值0.36%。

2）埋管間距為回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)的次要控制因素。在相同抽采量的前提下，回風(fēng)隅角瓦斯體積分數(shù)隨埋管間距增大而增大，在間距70～120 m范圍內(nèi)，回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)在±0.11%的范圍內(nèi)波動。2019 年4 月至11 月期間，抽采參數(shù)及回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)統(tǒng)計圖如圖7。

圖7 抽采參數(shù)及回風(fēng)流瓦斯體積分數(shù)統(tǒng)計圖Fig.7 Statistics of drainage parameters and return air flow gas concentration

81308 綜放工作面現(xiàn)場長達7 個月的試驗結(jié)果與數(shù)字模擬分析結(jié)果基本吻合，證明采取的數(shù)字建模方式是科學(xué)的、可靠的，具有超前指導(dǎo)礦井未來綜放工作面采空區(qū)埋管抽采參數(shù)的科學(xué)價值。

5 結(jié) 語

1）高瓦斯綜放工作面“U”型通風(fēng)條件下，回風(fēng)隅角瓦斯治理尤為關(guān)鍵。通過建立采空區(qū)瓦斯?jié)B流數(shù)學(xué)模型，模擬不同抽采參數(shù)條件下工作面及采空區(qū)瓦斯運移及瓦斯體積分數(shù)分布狀況，可為合理選擇回風(fēng)隅角瓦斯治理措施提供依據(jù)。

2）保德煤礦綜放工作面在“U”型下行通風(fēng)條件下，依據(jù)模擬結(jié)果并通過現(xiàn)場試驗，采取合理的采空區(qū)埋管抽采參數(shù)有效解決了回風(fēng)隅角和回風(fēng)流瓦斯超限問題。在類似煤層瓦斯賦存及開采條件下，綜合考慮經(jīng)濟和采空區(qū)防滅火等因素，埋管抽采間距為100 m，抽采量為580～610 m3/min。3）抽采量是影響工作面回風(fēng)隅角及回風(fēng)流瓦斯積聚的主控因素。隨著工作面瓦斯涌出量的增大，若繼續(xù)采取采空區(qū)埋管抽采的治理措施，勢必需相應(yīng)增大抽采量，這樣將對采空區(qū)防滅火帶來不利影響。屆時，建議采取綜合瓦斯治理措施。