許石青

(貴州大學礦業(yè)學院)

我國煤層瓦斯賦存條件復(fù)雜，隨著開采深度的增加，煤層瓦斯的含量與瓦斯涌出量也不斷加大[1-2]。采空區(qū)瓦斯是工作面瓦斯涌出的主要來源之一，約占40%～60%，對于近距離多煤層開采的礦井，其所占比例更高[3]。在高產(chǎn)高效工作面集中化生產(chǎn)、放頂煤開采技術(shù)普遍應(yīng)用，為煤炭企業(yè)帶來經(jīng)濟效益的同時，也加大了采空區(qū)瓦斯的涌出強度，瓦斯涌出量增大，瓦斯危險源的治理將是井下安全生產(chǎn)長期面臨的問題[4-7]。

隨著理論研究的深入和抽采技術(shù)的發(fā)展完善，近年來，國內(nèi)外在瓦斯治理技術(shù)上都有了很大突破，并且在工程實踐中也取得了很好地效果，如法國、波蘭等國家運用壓風引射器、小型氣動風機很好地解決了上隅角積聚的瓦斯[8-9]。瓦斯抽采技術(shù)在結(jié)合CFD等計算流體力學工具的使用上也有了很大的發(fā)展，尤其在地面鉆井抽采卸壓采空區(qū)瓦斯方面[10-11]。近年來，我國在煤層瓦斯運移規(guī)律及煤氧化特征的理論、實驗和現(xiàn)場應(yīng)用等方面取得了很大的進展[12]。本文選用某礦5#煤層的保護層開采工作面作為研究對象，基于目前實施的地面鉆井瓦斯抽采方式，通過建立三維模型進行數(shù)值模擬，以更加深入了解工作面采空區(qū)瓦斯流動特征及分布規(guī)律，為現(xiàn)場采空區(qū)瓦斯治理工作提供一定的參考。

1 工作面概況及模型的建立

1102工作面為某高瓦斯礦井5#煤層開采保護層所實施，其走向長約800 m，面寬180 m。該面區(qū)域煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層傾角平均約6°。為了有助于解決1102工作面采空區(qū)瓦斯治理的效果，分別研究不同地面鉆井布置對采空區(qū)瓦斯、氧氣濃度場的影響。2種鉆井布置方式為單個地面鉆井(模型一)和雙聯(lián)合地面鉆井(模型二)，見圖1。依據(jù)綜采面的實際幾何尺寸，建立了采空區(qū)三維CFD模型，并將模型劃分為六面體網(wǎng)格，在靠近工作面及重點關(guān)注的區(qū)域內(nèi)進行了網(wǎng)格加密，劃分網(wǎng)格后的三維模型所包含的單元格數(shù)量約350 000個。模型計算邊界條件為進回風巷分別為流場的進出口，工作面和采空區(qū)為流體流動范圍。根據(jù)該工作面實際的工程資料及地質(zhì)環(huán)境，模型所用參數(shù)見表1。

圖1 采空區(qū)幾何模型

模型工作面尺寸/m長寬高巷道尺寸/m寬高煤層傾角/(°)U型通風系統(tǒng)風量/(m3/min)瓦斯涌出量/(m3/min)CH4氣體組分/%一5402003.54362 88020～45100二8402003.54362 88020～45100

2 無地面鉆井抽采氣體濃度場分布規(guī)律

1102工作面采空區(qū)在地面鉆孔未抽采時的氧氣及CH4濃度分布分別見圖2、圖3。

圖2 氧氣濃度場分布

圖3 瓦斯?jié)舛葓龇植?/p>

從圖2可以看出，工作面進風側(cè)氧氣大量進入采空區(qū)，遠遠大于回風側(cè)氧氣滲透范圍。在進風側(cè)，距工作面170 m處的采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度仍高達6%。同時，在回風側(cè)，距工作面70 m處的采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度也仍然較高。此外，受工作面風壓影響，氧氣分布沿采空區(qū)走向有明顯的分離過度帶，且向回風側(cè)運移、匯集。

由圖3可看出，在遠離工作面的采空區(qū)深部區(qū)域積聚著大量高濃度瓦斯，且在進回風兩側(cè)呈現(xiàn)出有規(guī)律地分布。也發(fā)現(xiàn)瓦斯主要從回風巷上隅角涌出，這也是U型通風一源一匯的特點與瓦斯治理難點。離工作面越遠的采空區(qū)內(nèi)部區(qū)域瓦斯?jié)舛仍酱螅@可解釋為因采空區(qū)深部巖層垮落后被漸漸壓實，其孔隙率與滲透率都遠低于近工作面區(qū)域，瓦斯及氧氣雙方滲流速度均較慢，導(dǎo)致瓦斯大量積聚，形成瓦斯源。而當頂板垮落來壓時，在采空區(qū)內(nèi)積存的大量瓦斯會在來壓的沖擊力作用下從裂隙帶等位置向工作面迅速涌出，導(dǎo)致工作面瓦斯超限，如果此時遇到火花就極易引起瓦斯爆炸事故而造成傷亡與損失。可見采空區(qū)內(nèi)積聚的瓦斯隨時可能對井下勞動人員的生命構(gòu)成威脅，完善采空區(qū)瓦斯抽采與治理的措施對工作面安全掘進至關(guān)重要。

3 地面鉆井抽采氣體濃度場分布規(guī)律

按照工作面開采不同時間段，分別模擬單鉆井與聯(lián)合鉆井抽采條件下采空區(qū)瓦斯、氧氣等流場的運移規(guī)律。

3.1 單個地面鉆井抽采氣體濃度場分布規(guī)律

單個地面鉆井抽采瓦斯?jié)舛确植家妶D4。工作面推進500 m時，由單個地面鉆井抽采與未抽采時的瓦斯?jié)舛葓龇植紝Ρ瓤梢钥闯觯煽諈^(qū)距工作面相同位置處，實施瓦斯抽采措施可使采空區(qū)內(nèi)部瓦斯?jié)舛却蠓档汀Ｍ瑫r，隨著抽采流量的增加，采空區(qū)內(nèi)部瓦斯?jié)舛劝l(fā)生明顯的降低。且在靠近抽采鉆孔C1附近區(qū)域瓦斯?jié)舛雀纳谱顬轱@著。

圖4 單個地面鉆井抽采瓦斯?jié)舛葓龇植?/p>

單個地面鉆井抽采采空區(qū)氧氣場濃度分布見圖5?？梢钥闯?，實施地面鉆井抽采會加大采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度，尤其是靠近進風側(cè)。和圖4相比，當?shù)孛驺@孔抽采時，采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度高的地方瓦斯?jié)舛鹊?，而瓦斯?jié)舛雀叩牡胤窖鯕鉂舛鹊?。隨著抽采流量的加大，氧氣濃度向采空區(qū)深部滲入?yún)^(qū)域加大，在采空區(qū)進風側(cè)與開切眼位置等高滲透區(qū)域氧氣濃度增加明顯。這表明地面井抽采會加大采空區(qū)內(nèi)部富氧帶范圍，對于易自燃煤層，應(yīng)密切關(guān)注采空區(qū)深部自燃狀態(tài)的發(fā)展。

圖5 單個地面鉆井抽采氧氣濃度場分布

3.2 聯(lián)合地面鉆井抽采氣體濃度場分布規(guī)律

在布置C1與C2鉆井的基礎(chǔ)上，模擬地面鉆井聯(lián)合抽采情況時不同抽采流量對于采空區(qū)氣體分布、運移的影響。

聯(lián)合地面鉆井抽采瓦斯?jié)舛葓龇植家妶D6?？芍?，雙鉆井抽采時，采空區(qū)內(nèi)整體瓦斯都有很好的治理效果。隨著抽采流量(12～24 m3/min)的增加，采空區(qū)瓦斯?jié)舛冉档偷姆秶苍谧兇蟆＝ぷ髅驺@井C2很好地治理了流向工作面及上隅角的瓦斯，而C1鉆井則可有效地抽采和稀釋采空區(qū)深部瓦斯源。為更好地治理采空區(qū)整體的瓦斯，鉆井間布置距離應(yīng)分布合理。

圖6 聯(lián)合地面鉆井抽采瓦斯?jié)舛葓龇植?/p>

聯(lián)合地面鉆井抽采氧氣濃度場分布及測點布置見圖7?？芍S抽采流量從12m3/min增加至24 m3/min的過程中，在通風風壓及抽采負壓的作用下，氧氣更容易沿著進風側(cè)及開切眼處進入采空區(qū)，增加富氧范圍。為更進一步清楚采空區(qū)氧濃度變化規(guī)律，在距回風側(cè)80，120，170m處分別布置一個氧氣濃度監(jiān)測點，觀察不同抽采流量(6，12，18及24 m3/min)對于不同位置處氧氣濃度分布的影響，見圖8。

圖7 聯(lián)合地面鉆井抽采氧氣濃度場分布及測點布置示意

圖8 監(jiān)測點氧氣濃度變化曲線

從圖8可以看出，隨著鉆井抽采流量從6 m3/min 增加至24 m3/min過程中，監(jiān)測點1、2、3處的氧氣濃度也在同步增加。在相同的抽采流量下從工作面進風側(cè)到工作面回風側(cè)，氧氣的濃度依次減少。 同時，隨著鉆井抽采流量的增大，靠近工作面回風側(cè)的監(jiān)測點氧氣濃度變化速度更快。表明對比進風側(cè)而言，地面井抽采會對回風側(cè)產(chǎn)生更大的自燃威脅。因此，對于易自燃煤層地面井抽采瓦斯，應(yīng)控制其抽采流量，同時密切監(jiān)視回風側(cè)氣體的CO等氣體濃度變化，并制定相應(yīng)的防火措施。

4 結(jié) 論

(1)未實施地面鉆孔抽采時，靠近工作面?zhèn)韧咚節(jié)舛容^低，氧氣濃度較高，隨著往采空區(qū)深部距離的增加，瓦斯?jié)舛戎饾u升高，氧氣濃度逐漸降低，且采空區(qū)內(nèi)部靠近回風巷道側(cè)的瓦斯?jié)舛纫哂谶M風巷道側(cè)的瓦斯?jié)舛取?/p>

(2)鉆井抽采瓦斯會增加采空區(qū)富氧帶范圍，各監(jiān)測點氧氣濃度會隨著瓦斯抽采流量的增加而增大。且隨著抽采流量的增加，靠近回風側(cè)的監(jiān)測點氧氣濃度增長速度更快。

(3)聯(lián)合鉆井抽采會在采空區(qū)內(nèi)部形成較為均勻分布的低壓區(qū)，不但有效降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，同時也并未因漏風及抽采負壓的存在增大富氧帶范圍。與單井抽采相比，對于大走向采空區(qū)，聯(lián)合鉆井抽采可以合理地分配抽采能力，最大化地抽采出卸壓瓦斯。