倪廉欽，高 杰

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.山西金暉萬(wàn)峰煤礦有限公司，山西 孝義 032300)

煤礦采空區(qū)具有范圍大、遺煤多、裂隙發(fā)育等特點(diǎn)，是瓦斯運(yùn)移、積聚和涌出的主要場(chǎng)所，多數(shù)礦井采空區(qū)瓦斯涌出量可占礦井瓦斯涌出量的25%～35%[1]。受通風(fēng)方式產(chǎn)生的工作面漏風(fēng)、采空區(qū)瓦斯涌出等因素的影響，工作面及其上偶角易出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)效率[2，3]。

上隅角埋管抽采采空區(qū)瓦斯技術(shù)具有投資成本低，布置靈活、可靠易用的特點(diǎn)，是解決上隅角瓦斯超限的有效治理措施[4，5]。于寶種[6]研究了上隅角插管深度對(duì)瓦斯抽采的影響。劉軍[7]等提出了采空區(qū)大直徑埋管抽采技術(shù)?？到ê闧8]等通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了埋管抽采對(duì)采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)的影響。吳兵[9]等提出了上隅角瓦斯拖管抽采技術(shù)，并通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定了拖管抽采的最佳布置參數(shù)。劉彥青[10]等合理優(yōu)化了采空區(qū)密閉聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采的數(shù)量。李英明[11]等研究了上隅角埋管條件下 U 型通風(fēng)系統(tǒng)的靜壓力場(chǎng)和瓦斯?jié)舛葓?chǎng)。楊前意[12]等模擬了不同抽采參數(shù)對(duì)埋管抽采的影響。趙燦[13]等采用聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采措施有效治理了偏Y 型通風(fēng)方式下的瓦斯超限問(wèn)題。張浪[14]等通過(guò)Fluent軟件研究了上隅角封堵聯(lián)合插管抽采的瓦斯治理效果。趙宇新[15]研究了綜采工作面及采空區(qū)瓦斯分布情況。李緒明[16]研究了高抽巷及埋管抽采條件下采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律。成辰欣[17]等提出了埋管抽采與高位鉆孔相結(jié)合的瓦斯抽采技術(shù)。傳統(tǒng)的埋管抽采技術(shù)多為單管抽采，存在隨著工作面的推進(jìn)導(dǎo)致抽采管口位置改變，造成抽采效果不佳的問(wèn)題，而采空區(qū)瓦斯抽采位置的選擇是上隅角瓦斯埋管抽采成功的關(guān)鍵[18，19]。為此，本文以山西金暉萬(wàn)峰煤礦為研究對(duì)象，提出回采工作面上隅角錯(cuò)距式雙埋管瓦斯抽采技術(shù)。利用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)兩種方式合理優(yōu)化抽采參數(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)和抽采純量對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1 回采工作面概況

萬(wàn)峰煤礦屬于高瓦斯礦井，1201綜采工作面處于礦井中部，開采1號(hào)煤層，煤層厚度1.5m，煤層傾角平均4°，煤層原始瓦斯含量11.56m3/t，煤層頂、底板均為砂質(zhì)泥巖、泥巖，上距1上號(hào)煤平均間距6.26m，下距2號(hào)煤平均間距6.95m。工作面走向長(zhǎng)約1125m，傾向長(zhǎng)155m，綜采落煤，全部垮落法管理頂板，使用U形通風(fēng)系統(tǒng)，工作面生產(chǎn)期間日推進(jìn)1.83～3m。該工作面在生產(chǎn)期間工作面瓦斯涌出量為13m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量為9m3/min，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)經(jīng)常保持在0.65%以上，最大可達(dá)1.2%，存在瓦斯超限隱患。

2 采空區(qū)埋管抽采瓦斯理論分析

采空區(qū)漏風(fēng)流是采空區(qū)瓦斯涌出的主要?jiǎng)恿υ?，瓦斯氣體自由擴(kuò)散為次要?jiǎng)恿?，根?jù)采空區(qū)氣體流場(chǎng)和濃度的分布規(guī)律，可將采空區(qū)瓦斯流動(dòng)劃分為涌出帶、過(guò)渡帶、滯留帶[20]。萬(wàn)峰煤礦1201工作面采空區(qū)“三帶”瓦斯涌出情況如圖1所示。

圖1 1201工作面采空區(qū)“三帶”瓦斯涌出情況

由圖1可知，治理上隅角瓦斯超限的關(guān)鍵在于抑制采空區(qū)瓦斯涌出帶內(nèi)的瓦斯涌出，而埋管抽放就是在工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)埋設(shè)抽采管路，對(duì)采空區(qū)瓦斯涌出帶內(nèi)的瓦斯進(jìn)行負(fù)壓抽采[21]。但傳統(tǒng)的埋管抽采上隅角瓦斯技術(shù)隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)瓦斯涌出帶范圍不斷改變，造成埋管管口位置改變，導(dǎo)致抽采效果不佳，如圖2(a)所示。

圖2 采空區(qū)瓦斯傳統(tǒng)埋管和錯(cuò)距埋管抽采管路布置

錯(cuò)距式雙埋管抽采技術(shù)是在工作面回風(fēng)巷錯(cuò)距鋪設(shè)兩條低負(fù)壓抽采管路，一條抽采管路埋入采空區(qū)較深，以初步攔截和抽采高濃度瓦斯，另一條抽采管路埋深較淺，用于二次攔截和抽采瓦斯的上隅角瓦斯治理新技術(shù)，如此循環(huán)交替，如圖2(b)所示。錯(cuò)距式雙埋管抽采技術(shù)中兩條抽采管路的合理錯(cuò)距(最佳埋深位置及錯(cuò)距長(zhǎng)度經(jīng)研究測(cè)試確定)保證了抽采管路處于最佳抽采位置，即抽采管路始終位于瓦斯涌出帶的范圍內(nèi)，從根本上解決了傳統(tǒng)埋管抽采方式因工作面推進(jìn)導(dǎo)致抽采口位置變動(dòng)使抽采效果不佳的缺陷，同時(shí)，有利于管材的回收利用，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 埋管抽采瓦斯數(shù)值模擬

以1201綜采工作面實(shí)際物理幾何參數(shù)為基礎(chǔ)，采用COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)耦合軟件中自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)模型構(gòu)建采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)計(jì)算模型。

3.1 模擬方案

為了研究?jī)筛窆茉诹Ⅲw空間的合理錯(cuò)距與上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，確定最佳的埋管抽采參數(shù)，運(yùn)用COMSOL軟件對(duì)以下情況進(jìn)行數(shù)值模擬：①無(wú)抽采條件下上隅角瓦斯分布規(guī)律；②在距回風(fēng)巷底板方向，沿走向埋深方向的立體空間內(nèi)進(jìn)行雙埋管抽采，通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)，模擬錯(cuò)距埋管抽采條件下的上隅角瓦斯分布規(guī)律。分析模擬結(jié)果，并得出最佳埋管抽采參數(shù)。

3.2 混合水平正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究雙埋管抽采條件下，管道布置錯(cuò)距對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊?，基?201工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，擬選擇兩根抽采管路分別距離底板的高度、埋入采空區(qū)的深度這四個(gè)影響因素。其中，影響因素A、C為距離底板的高度，取0.5m、1.0m、1.5m、2.0m四個(gè)不同水平量；影響因素B、D為埋入采空區(qū)深度，取5.0m、10.0m、15.0m、20.0m、25.0m五個(gè)不同水平量，建立混合正交實(shí)驗(yàn)。正交因素水平量見(jiàn)表1。

表1 埋管抽采正交實(shí)驗(yàn)因素水平量

3.3 幾何模型構(gòu)建

為了使模擬結(jié)果能夠真實(shí)準(zhǔn)確地反映采空區(qū)瓦斯流動(dòng)特性，避免計(jì)算選擇的區(qū)域較小導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果具有片面性，故采空區(qū)計(jì)算區(qū)域后方邊界至工作面距離設(shè)定為200m，1201工作面長(zhǎng)度155m，1201工作面高度2.5m，進(jìn)風(fēng)巷凈斷面4m×2.5m，回風(fēng)巷凈斷面4m×2.5m，工作面采用U型通風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量1200m3/min，風(fēng)速為2m/s，忽略采煤、支護(hù)等設(shè)備的影響，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.4.1 無(wú)抽采條件

設(shè)定采空區(qū)無(wú)抽采條件，經(jīng)計(jì)算得到采空區(qū)無(wú)埋管抽采條件下瓦斯分布云圖，如圖3所示。由圖3可以看出，采空區(qū)瓦斯?jié)舛入S工作面的推進(jìn)而不斷變化，距離工作面0～30m范圍內(nèi)的瓦斯涌出帶，采空區(qū)未被垮落的巖體壓實(shí)，孔隙率較大，且在靠近回風(fēng)側(cè)切頂線位置，漏風(fēng)風(fēng)流沿工作面推進(jìn)方向速度分量較大，瓦斯?jié)舛茸兓^為劇烈。距離工作面30～120m范圍內(nèi)的過(guò)渡帶，自然垮落區(qū)逐漸向壓實(shí)區(qū)過(guò)渡，由于孔隙率和滲透率的改變，該區(qū)域內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓杆伲尸F(xiàn)明顯的瓦斯?jié)舛忍荻?。距離工作面120m以上的滯留帶，因采空區(qū)被垮落的巖體壓實(shí)，孔隙率、滲透率較小，漏風(fēng)風(fēng)流對(duì)采空區(qū)內(nèi)的瓦斯擾動(dòng)作用較小，瓦斯?jié)舛容^高。

圖3 未采取抽采措施的采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布云圖

風(fēng)流入口處，瓦斯?jié)舛茸畹?。漏風(fēng)風(fēng)流從進(jìn)風(fēng)側(cè)漏入采空區(qū)，在回風(fēng)側(cè)上隅角與采空區(qū)形成的壓差作用下，攜帶大量采空區(qū)高濃度瓦斯漏回回風(fēng)側(cè)進(jìn)入工作面。在回風(fēng)巷上隅角處，風(fēng)流擾動(dòng)較小，且經(jīng)采空區(qū)漏回的風(fēng)流在此處匯合，瓦斯體積分?jǐn)?shù)高達(dá)1.3%，瓦斯超限問(wèn)題嚴(yán)重，必須采取有效的治理措施。

3.4.2 錯(cuò)距埋管抽采

為了確定雙埋管抽采的合理布置參數(shù)，在抽采負(fù)壓為20kPa條件下，對(duì)25組方案進(jìn)行數(shù)值模擬，記錄不同抽采參數(shù)下的上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化情況，并進(jìn)行極差分析，抽采效果見(jiàn)表2。k1～k5表示25組混合正交實(shí)驗(yàn)上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)的均值，R′值為折算后的混合正交表的極差值，其中，埋入采空區(qū)的深度(因素B、D)極差較大，故埋管抽采時(shí)埋入采空區(qū)的深度對(duì)上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)影響較大。因上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)的指標(biāo)呈望小特征，所以取上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)最小值所對(duì)應(yīng)的因素水平值，故錯(cuò)距雙埋管抽采的參數(shù)最優(yōu)組合為A2B2C3D4。

綜上所述，確定了上隅角錯(cuò)距式雙埋管抽采的最佳抽采位置為抽采管路a距離底板1.0m，深入采空區(qū)10.0m，另一條抽采管b平行布置，距離底板1.5m，深入采空區(qū)20.0m處，抽采后上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低至0.30%，抽采效果如圖4所示。

表2 錯(cuò)距式雙埋管抽采條件下數(shù)值模擬的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 抽采效果最好的采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布云圖

與圖3相比較，可以看出錯(cuò)距式雙埋管抽采條件下，采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯流場(chǎng)發(fā)生了明顯的改變。在Y軸方向，隨著抽采管道向采空區(qū)深部轉(zhuǎn)移，明顯改變了上隅角附近的瓦斯?jié)舛确植?，采空區(qū)高濃度瓦斯隨抽采管道的深入向采空區(qū)深部轉(zhuǎn)移，錯(cuò)距式抽采管道可以較好地抑制上隅角瓦斯的積聚。但也可以看出，雙抽采管道的出現(xiàn)加速了采空區(qū)深部高濃度瓦斯的涌出。在Z軸方向，由于瓦斯的密度比空氣小而呈現(xiàn)的升浮特性，上隅角瓦斯?jié)舛入S抽采管道距離底板高度的增大而減小。

4 現(xiàn)場(chǎng)抽采效果

4.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)上述數(shù)值模擬并結(jié)合萬(wàn)峰煤礦1201工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，最終確定采用上隅角錯(cuò)距式雙埋管瓦斯抽采措施，具體參數(shù)為：在回風(fēng)巷上隅角位置錯(cuò)距布置兩條抽采管路進(jìn)行埋管抽采，管徑300mm。一條抽采管距底板高1.0m，深入采空區(qū)10.0m；另一條抽采管平行布置，距離地板1.5m，深入采空區(qū)20.0m，鋪設(shè)位置如圖5所示。瓦斯抽采管路接入抽采系統(tǒng)，抽采負(fù)壓20kPa，瓦斯抽采泵站使用兩臺(tái)2BEC-67水環(huán)式真空泵和兩臺(tái)P2620真空泵。

圖5 1201工作面錯(cuò)距式埋管抽采最佳位置測(cè)試點(diǎn)布置

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

圖6 錯(cuò)距式埋管瓦斯抽采技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)效果

隨著工作面的推進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)了埋管抽采期間上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)和抽采管內(nèi)瓦斯抽采純量，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)效果如圖6所示。從圖6可以看出，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在0.32%～0.48%，抽采純量可達(dá)4.1～4.9m3/min。采用錯(cuò)距式雙埋管抽采技術(shù)治理上隅角瓦斯效果明顯，有效解決了回采期間上隅角瓦斯超限隱患，保證了工作面安全高效生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

1)數(shù)值模擬分析表明，埋管抽采對(duì)采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)有很大影響，采空區(qū)高濃度瓦斯隨抽采管道的深入向采空區(qū)深部轉(zhuǎn)移，合理的埋管抽采錯(cuò)距可以有效降低上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)。

2)正交實(shí)驗(yàn)分析得出錯(cuò)距式雙埋管抽采采空區(qū)瓦斯最有效的位置為距底板高1.0m、1.5m，深入采空區(qū)10.0m、20.0m處。

3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，錯(cuò)距式雙埋管瓦斯抽采技術(shù)治理上隅角瓦斯超限效果顯著，上隅角瓦斯最大體積分?jǐn)?shù)在0.48%以下。