官安龍，胡新宇

(1.潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)責(zé)任有限公司 山西 長治 046000；2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024)

煤層開采后，上覆煤巖層因受采動影響，產(chǎn)生不同程度的變形，煤層的透氣性大幅度提高，煤巖體內(nèi)大量吸附的瓦斯被解吸出來[1-3]，引起瓦斯超限，甚至?xí)斐赏咚贡ㄊ鹿蔥4-5]，威脅生產(chǎn)安全[6]，因此，許多瓦斯抽放技術(shù)被應(yīng)用于治理采空區(qū)瓦斯[7-8]。通過高抽巷瓦斯抽采技術(shù)，可以降低瓦斯?jié)舛?，減少瓦斯事故的發(fā)生，也在一定程度上緩解能源緊張的[9]。白建強等[10]借助FLUENT軟件模擬分析高抽巷距回風(fēng)巷不同平距、煤層頂板不同垂高條件下的瓦斯抽放效果，確定了高抽巷的最佳位置；靳曉華等[11]運用單元實測法分析瓦斯分布規(guī)律，并優(yōu)化了高抽巷抽采技術(shù)；梁成等[12]研究了不同布設(shè)參數(shù)下的高抽巷對采空區(qū)瓦斯與氧氣流場運移規(guī)律的影響。

本文通過理論分析的方法，探究余吾煤業(yè)N1102綜放工作面采空區(qū)的瓦斯分布規(guī)律；運用數(shù)值模擬的方法，分析高抽巷抽采條件下采空區(qū)的瓦斯運移規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證模擬的正確性。

1 綜放工作面采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律

1.1 試驗工程地質(zhì)特征

余吾煤業(yè)主采煤層為二疊系山西組3號煤層，平均厚度6.1 m，煤體容重1.39 t/m3，平均傾角為3°，采用走向長臂綜采放頂煤一次采全高、全部垮落法管理頂板，工作面采高3.1 m，放煤厚度為3 m。在N1102工作面進(jìn)行試驗，工作面回采平距1 021.6 m，切眼平距300 m；工作面地質(zhì)構(gòu)造簡單，煤層直接頂為482 m泥巖，老頂為9 m中粒砂巖，直接底為3.5 m厚的泥巖。

1.2 采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律分析

采空區(qū)風(fēng)流速度小，導(dǎo)致對流傳質(zhì)系數(shù)小，從而造成瓦斯積聚；另外，瓦斯會在浮升力的作用下聚積到采空區(qū)頂部[13]，巷道周邊的層流邊界層也會使得高濃度瓦斯不被漏風(fēng)流帶走，使采空區(qū)瓦斯?jié)舛却蟠笊摺?/p>

上述原因使采空區(qū)瓦斯分布具有一定的規(guī)律，工作面風(fēng)速較大，瓦斯?jié)舛认鄬^低，在距工作面一定距離的采空區(qū)內(nèi)，殘留在采空區(qū)底板的浮煤會釋放大量瓦斯；隨著距工作面距離的增加，垮落下的巖石較為松散，間隙較大，從而漏風(fēng)風(fēng)速也較大，瓦斯?jié)舛入S之降低；當(dāng)浮煤瓦斯釋放量很小時，瓦斯?jié)舛冉档偷揭欢ǔ潭缺惚３址€(wěn)定。因此，采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍谄叫杏诠ぷ髅娣较蛏铣尸F(xiàn)出來的規(guī)律是：隨著距工作面距離的增加，瓦斯?jié)舛认仍龃螅鬁p小，然后保持穩(wěn)定。

在工作面附近，采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍诖怪庇诠ぷ髅娣较蛏铣尸F(xiàn)的規(guī)律為：從進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)，瓦斯?jié)舛戎饾u增大。當(dāng)距工作面有一定距離時，瓦斯?jié)舛然颈３制椒€(wěn)，主要原因是工作面附近風(fēng)流速度較大，在風(fēng)流的作用下，瓦斯向回風(fēng)側(cè)運移；而在距工作面較遠(yuǎn)處的采空區(qū)內(nèi)，漏風(fēng)流流速較小，瓦斯?jié)舛茸兓诜肿訑U散的作用下逐漸趨于平穩(wěn)。

瓦斯受到浮升力的作用會向頂板方向運移，造成頂板瓦斯積聚[14]。受到漏風(fēng)流的影響，在豎直方向上，采空區(qū)瓦斯會呈現(xiàn)一定的規(guī)律，在靠近工作面處，漏風(fēng)流帶走的瓦斯量較大，瓦斯?jié)舛忍荻容^??；隨著距工作面距離的增加，垮落的頂板被壓實，瓦斯運移空間減小，瓦斯?jié)舛忍荻戎饾u增大。另一方面，高處的漏風(fēng)流較小，也會使得瓦斯?jié)舛仍谪Q直方向上分層。

1.3 工作面瓦斯?jié)舛葴y定

通過布置監(jiān)測點，測定工作面瓦斯?jié)舛确植?，得出工作面瓦斯分布?guī)律。沿N1102工作面切巷每15 m布置1個測站，共布置20個測站，如圖1所示，每個測站按照圖2布點方式各測定一組數(shù)據(jù)。

圖1 瓦斯?jié)舛葴y點布置示意

圖2 每個測點斷面3個測點位置圖

1.3.1 工作面瓦斯?jié)舛妊厍邢锓植家?guī)律

在各個測點測得瓦斯?jié)舛?，并求出其瓦斯?jié)舛鹊钠骄?，見?，由此得到沿工作面風(fēng)流方向的濃度分布。測定數(shù)據(jù)表明，采面瓦斯?jié)舛葟倪M(jìn)風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)逐漸增大，進(jìn)風(fēng)到采面中部范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓淮?，采面中部到回風(fēng)上隅角瓦斯?jié)舛仍黾虞^快，尤其是靠近回風(fēng)側(cè)30 m范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛容^高，如圖3所示。

表1 N1102工作面瓦斯?jié)舛葴y定數(shù)據(jù) 單位：%

圖3 切巷方向瓦斯?jié)舛茸兓€圖

1.3.2 工作面瓦斯?jié)舛妊刈呦蚍植家?guī)律

圖4為觀測斷面的瓦斯?jié)舛确植记€，隨著距工作面距離的增加，瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)先升高、然后降低、再升高的分布規(guī)律，即存在一個瓦斯?jié)舛鹊淖畹忘c，該點隨著采面的不同位置有所不同，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與理論分析一致。

圖4 觀測斷面的瓦斯?jié)舛确植记€圖

1.3.3 工作面瓦斯涌出的不均衡性

以上數(shù)據(jù)均為采面停止工作時測定，采煤機的位置會對瓦斯分布造成影響。當(dāng)采煤機由進(jìn)風(fēng)側(cè)向中部移動時，瓦斯涌出量較小，且會有一部分瓦斯漏入采空區(qū)；當(dāng)采煤機繼續(xù)向回風(fēng)側(cè)移動時，之前漏入采空區(qū)的瓦斯隨風(fēng)流涌出到工作面。經(jīng)過現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)瓦斯在靠近回風(fēng)側(cè)30 m內(nèi)容易積聚。原因是在此區(qū)間內(nèi)采煤機會使斷面減小，阻力增大，通過支架間隙漏入采空區(qū)的瓦斯會帶著支架后方高濃度瓦斯快速返回工作面，造成瓦斯涌出量增大。根據(jù)觀測表明：在此段工作時，易造成工作面瓦斯超限。

2 高抽巷抽采條件下采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律

2.1 數(shù)值模型的建立

以余吾煤業(yè)N1102工作面采空區(qū)為原型，進(jìn)行FLUENT數(shù)值模擬分析?？紤]到模型的收斂性，將綜放工作面采空區(qū)幾何模型進(jìn)行簡化，且忽略工作面的周期來壓、煤炭自燃、各種設(shè)備情況等，只考慮采空區(qū)漏風(fēng)、高抽巷對采空區(qū)瓦斯分布的影響，模型基本參數(shù)見表2。

表2 模型的基本參數(shù)

網(wǎng)格劃分為兩部分，進(jìn)回風(fēng)巷、采煤工作面為volume1，采空區(qū)為volume2。網(wǎng)格劃分以沿采空區(qū)走向方向、進(jìn)回風(fēng)巷方向、采煤工作面走向方向，網(wǎng)格間距均為2 m，沿高度方向網(wǎng)格間距為0.5 m，則高抽巷中volume1網(wǎng)格數(shù)為15 103個，volume2網(wǎng)格數(shù)為749 940個，共計76 983個，見圖5。網(wǎng)格邊界條件設(shè)置如下：進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置為速度入口邊界，回風(fēng)巷設(shè)置為壓力出口邊界，高抽巷出口設(shè)置為壓力出口邊界，其他設(shè)置為壁面邊界條件。

圖5 高抽巷采空區(qū)物理模型

滲透率與瓦斯源項是采空區(qū)瓦斯運移數(shù)值模擬的關(guān)鍵參數(shù)。本文通過現(xiàn)場實測以及實驗研究，確定模擬所需參數(shù)：

1) 確定滲透率。煤層開采后由于缺乏支撐，其上覆巖層會垮落下來，且具有一定規(guī)律。根據(jù)其呈現(xiàn)出來的特征，可在橫向采空區(qū)將其劃分為自燃堆積區(qū)、載荷影響區(qū)及重新壓實區(qū)。

2) 確定瓦斯源項。綜放工作面瓦斯涌出主要來源為煤壁、落煤的瓦斯涌出以及采空區(qū)瓦斯涌出。采空區(qū)的瓦斯涌出主要是采空區(qū)遺煤，因此將采空區(qū)瓦斯涌出看作為均勻分布，即將各種采空區(qū)瓦斯涌出源涌出的瓦斯平均到采空區(qū)各單位體積上；又因為采空區(qū)“豎三帶、橫三區(qū)”的碎脹系數(shù)的不同，這樣采空區(qū)同一區(qū)域帶內(nèi)不同位置單位體積、單位時間瓦斯涌出量相等。

3) 確定邊界條件。采用考慮浮力影響的Realizable K-ε模型，進(jìn)口風(fēng)速取3.43 m/s，多孔介質(zhì)流動選擇PRESTO格式，Second Order Upwind格式。

2.2 模擬結(jié)果分析

設(shè)定高抽巷與回風(fēng)巷水平距離30 m、高抽巷距煤層頂板35 m條件下進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 高抽巷抽采條件下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D

從模擬結(jié)果可以看出，高抽巷作用范圍很大，受高抽巷影響的采空區(qū)瓦斯?jié)舛染幸欢ǔ潭鹊慕档停ぷ髅嫱咚節(jié)舛认陆得黠@，最高達(dá)0.6%。這是由于采用高抽巷后，采空區(qū)部分瓦斯通過高抽巷流走，逸出到工作面的瓦斯大量減小，使采煤工作面瓦斯?jié)舛缺３州^低濃度。

3 高抽巷抽采效果實測分析

通過搜集整理高位抽采條件下工作面進(jìn)回風(fēng)巷高位鉆場、千米鉆機裂隙帶鉆孔和高抽巷等瓦斯抽采參數(shù)，部分參數(shù)如表3所示。

由表3可知，隨著高抽巷開始起作用，工作面回風(fēng)巷的高位鉆孔也封閉關(guān)掉。隨著工作面日產(chǎn)量由4 000 t增到12 316 t，工作面絕對瓦斯涌出量從33.43 m3/min增到44.77 m3/min，即隨著工作面開采強度的增加，工作面瓦斯涌出量也隨之增加。高抽巷的抽采純量是原有回風(fēng)巷的高位鉆孔的4倍左右，為21.04 m3/min，抽采瓦斯量明顯增加，可見高抽巷抽采對治理瓦斯作用很大。

表3 高位抽采和高抽巷抽采條件下部分實測參數(shù)

4 結(jié) 語

通過理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法對余吾煤業(yè)N1102綜放工作面采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

1) 通過現(xiàn)場檢測結(jié)合理論分析，得知在工作面垂直方向上，近工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛容^低，隨距工作面距離的增大，瓦斯?jié)舛乳_始增高；在采空區(qū)深處，瓦斯?jié)舛葧３植蛔儯辉谪Q直方向上，瓦斯受到浮升力的作用聚集到采空區(qū)頂板附近，使得頂板附近的瓦斯?jié)舛雀哂诘装甯浇耐咚節(jié)舛取?/p>

2) 基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)，運用FLUENT數(shù)值模擬軟件，結(jié)果顯示：高抽巷作用范圍較大，受高抽巷影響采空區(qū)瓦斯?jié)舛扔幸欢ǔ潭鹊慕档?，工作面瓦斯?jié)舛认陆得黠@。

3) 通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)實測，驗證了高抽巷的有效性，為實現(xiàn)采空區(qū)瓦斯高效抽采提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。