王 沉，楊 帥，江成玉，薛 博，劉 瓊

(貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

瓦斯災(zāi)害是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，礦井瓦斯安全事故常常造成重大人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，高瓦斯工作面回采過程中，采空區(qū)瓦斯涌出量約占工作面瓦斯涌出量的50%～60%[2-3]，采空區(qū)瓦斯治理屬于工作面瓦斯治理的關(guān)鍵組成部分[4]。在采空區(qū)瓦斯治理方面，秦偉等[5]在辨別采空區(qū)瓦斯來源的基礎(chǔ)上，對采空區(qū)瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行了合理布置；胡勝勇等[6]揭示了采空區(qū)瓦斯運(yùn)移特征，為采空區(qū)瓦斯治理提供了理論依據(jù)；丁厚成等[7-8]通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬及理論分析等方法確定了瓦斯高抽巷的最佳布置方案。工程實(shí)踐表明，掌握采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律、合理選擇瓦斯抽放技術(shù)是采空區(qū)瓦斯災(zāi)害防治的關(guān)鍵[9-10]。

本文以安徽神源煤化工有限公司鄒莊礦3204工作面為研究背景，通過數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測及理論分析等方法，揭示高瓦斯突出煤層工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移特征，提出適宜該工作面采空區(qū)瓦斯治理的技術(shù)措施，為類似條件采空區(qū)瓦斯治理提供依據(jù)和借鑒。

1 工程概況

安徽神源煤化工有限公司鄒莊礦按照煤與瓦斯突出礦井設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為240萬t/a，礦井服務(wù)年限為50.3 a。3204工作面為鄒莊礦首采工作面，工作面傾斜長度225 m，主采32煤層，煤層厚度2.5～3.6 m，平均3.3 m，原始煤層瓦斯壓力為2.3 MPa，瓦斯含量為11.1 m3/t，為典型的高瓦斯突出煤層工作面。3204工作面推進(jìn)過程中，采空區(qū)瓦斯涌出來源主要包括采空區(qū)遺煤及圍巖涌出，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯分布特征與瓦斯擴(kuò)散運(yùn)動及風(fēng)流作用有關(guān)。

2 采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬

3204工作面采空區(qū)瓦斯流動主要考慮瓦斯中的CH4組分以及空氣中的O2組分，不考慮采空區(qū)空間尺寸的動態(tài)變化，而是將某一回采時期進(jìn)尺較大的采空區(qū)作為研究對象，采空區(qū)內(nèi)部瓦斯含量較高，而且不斷產(chǎn)生，采空區(qū)外部空氣和瓦斯通過漏風(fēng)流入采空區(qū)，采空區(qū)的部分瓦斯則通過漏風(fēng)口或采空區(qū)埋管流出采空區(qū)。數(shù)值模擬過程中，不考慮工作面回采引起的頂?shù)装辶严?，瓦斯和空氣等氣體的流動空間為采空區(qū)、工作面和回采巷道。鑒于以上瓦斯流動條件，利用Fluent模擬采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律，歸結(jié)為三維的多孔介質(zhì)流動問題。為簡化問題，本研究對采空區(qū)瓦斯流動模型作了如下規(guī)定和假設(shè)：

(1)瓦斯流動符合滲流規(guī)律，瓦斯混合氣體為不可壓縮的理想流體；

(2)不考慮工作面液壓支架等設(shè)備的影響；

(3)工作面及采空區(qū)煤巖體為非均勻多孔介質(zhì)，煤巖體滲透系數(shù)是空間的函數(shù)，與時間無關(guān)。

2.1 數(shù)值模擬方案

3204工作面原始煤層瓦斯壓力為2.3 MPa，瓦斯含量為11.1 m3/t，實(shí)測煤層殘余瓦斯含量最大為4.35 m3/t，工作面瓦斯涌出不均衡系數(shù)為1.6。進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為

其中：v為進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速，m/s；Q為運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)量，根據(jù)工作面實(shí)際情況，取1916 m3/min；S為運(yùn)輸巷斷面積，14.4 m2。代入得進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為2.2 m/s，模型進(jìn)風(fēng)口邊界條件設(shè)為2.2 m/s。

工作面CFD模型基本參數(shù)及邊界條件，見表1。工作面CFD模型幾何特征的立體圖如圖1所示。

表1 CFD模型基本參數(shù)及邊界條件Tab.1 Basic parameters and boundary conditions of CFD model

圖1 CFD模型幾何特征Fig.1 Geometric features of CFD model

2.2 模擬結(jié)果與分析

數(shù)值模擬分析了回風(fēng)巷上隅角有無埋管抽采瓦斯條件下工作面及采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律，并利用專業(yè)后處理軟件Tecplot后處理Fluent模擬計(jì)算結(jié)果。

(1)繪制采空區(qū)有無埋管抽采瓦斯條件下采空區(qū)空間內(nèi)瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，如圖2所示。

圖2 采空區(qū)CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.2 Distribution of CH4 mass fraction in Gob

由圖2可知：“U”型通風(fēng)條件下，采空區(qū)瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿采空區(qū)深度和工作面長度方向逐漸增加，在采空區(qū)最深處及工作面上隅角處分別達(dá)到最大值；埋管條件下采空區(qū)深處瓦斯?jié)舛戎匦路植?，峰值影響范圍明顯降低，同時擴(kuò)大了工作面附近采空區(qū)瓦斯低值區(qū)域，降低了工作面及回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛取?/p>

(2)繪制采空區(qū)有無埋管抽采瓦斯條件下不同切面瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，如圖3所示。

①豎直方向上瓦斯分布

由圖3(a)、(b)、(c)可以看出：豎直方向上，隨著高度的增加，采空區(qū)瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值的影響范圍逐漸升高；

圖3 不同切面的CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.3 CH4 mass fraction distribution of different surfaces

②走向瓦斯分布

③傾向瓦斯分布

由圖3(e)可以看出：在傾向方向上，工作面上隅角是采空區(qū)向工作面的集中漏風(fēng)處，采空區(qū)瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)在上隅角處最大；

④有無埋管條件下瓦斯分布

由圖3中有無埋管條件下瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布可以看出：與采空區(qū)無埋管條件相比，采空區(qū)埋管降低了采空區(qū)瓦斯?jié)舛燃吧畈客咚節(jié)舛确逯档挠绊懛秶?/p>

(3)繪制采空區(qū)有無埋管抽采瓦斯條件下上隅角附近瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，如圖4所示。

圖4 上隅角局部放大CH4質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Distribution of CH4 mass fraction in local magnification of upper corner

由圖4上隅角瓦斯分布可以看出：上隅角為采空區(qū)向工作面的集中漏風(fēng)處，采空區(qū)埋管的存在增加了瓦斯流動的通道，分流了采空區(qū)及工作面涌出的部分瓦斯，進(jìn)而降低了上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛龋煽諈^(qū)埋管對上隅角瓦斯治理起到積極意義[11-12]。

根據(jù)氣體流速的大小，可以把采空區(qū)空間劃分為湍流區(qū)、層流區(qū)和靜止區(qū)3個風(fēng)流運(yùn)動區(qū)域，在走向上，從切頂線往采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛戎饾u變大；在豎向上，從底板往頂部裂隙帶瓦斯?jié)舛戎饾u變大；在傾向上，由于漏風(fēng)的存在，瓦斯?jié)舛确植疾粚ΨQ，分布規(guī)律較為復(fù)雜。從采空區(qū)立體空間上看，瓦斯在采空區(qū)內(nèi)形成濃度等值曲面梯度。

采空區(qū)的瓦斯流動，主要受到濃度梯度作用導(dǎo)致的擴(kuò)散運(yùn)動、密度差導(dǎo)致的升浮運(yùn)動和漏風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動等作用。在走向和傾向上，主要受到漏風(fēng)風(fēng)流運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動的作用，而在垂直方向上，則主要受到擴(kuò)散和升浮的作用。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要為木構(gòu)架，其中又分為抬梁、穿斗、井干三種不同的結(jié)構(gòu)方式。抬梁式是在立柱上架梁，梁上又抬梁，所以稱為“抬梁式”。寺廟等大體量建筑物中常采用這種結(jié)構(gòu)方式。穿斗式是用穿枋把一排排的柱子穿連起來成為排架，然后用枋聯(lián)接而成，故稱作穿斗式。多用于日常民居和規(guī)模較小的建筑物。井干式是用木材交叉堆疊而成的，因其所圍成的空間似井而得名。

3 采空區(qū)瓦斯治理方案

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，提出采空區(qū)埋管的采空區(qū)瓦斯治理方案，并輔助以工作面高位鉆場抽采采空區(qū)瓦斯來治理采空區(qū)瓦斯超限。

3.1 采空區(qū)埋管

采空區(qū)埋管把大直徑鋼管敷設(shè)在工作面回風(fēng)巷，吸氣口選擇為具有組合閥門的三通管件，管路每隔一定距離進(jìn)行串接。隨著工作面不斷前移，吸氣口進(jìn)入采空區(qū)最佳的抽采位置，打開組合閥門抽采瓦斯，如圖5所示。

圖5 采空區(qū)埋管抽采示意圖Fig.5 Schematic drawing of buried pipe in Goaf

3204工作面回風(fēng)巷上隅角敷設(shè)一趟10寸瓦斯管路，管路伸入采空區(qū)20～40 m，管端距底板1200 mm以上，末端為“丁”字型，一端沿工作面走向朝采空區(qū)側(cè)，一端朝工作面傾向，用木垛進(jìn)行保護(hù)。回采中每20 m提前預(yù)埋管路，邁步交替前進(jìn)，保證老塘內(nèi)埋管在20～40 m。

3.2 瓦斯高位鉆場

高位鉆場瓦斯抽采方案作為采空區(qū)瓦斯治理的輔助措施。高位鉆場鉆孔主要分布在垮落帶巖層中，用于解決采空區(qū)垮落帶瓦斯涌出問題。從切眼處沿工作面風(fēng)巷向外80 m施工第一個高位鉆場，其余鉆場從第一個高位鉆場處向外每隔100 m施工一個高位鉆場。鉆場變平位置在32煤層頂板，鉆場平均施工15個鉆孔，孔深110 m左右，終孔位置在煤層頂板上10～16 m，平面位置在風(fēng)巷向下50 m左右?？讖骄鶠?13 mm，封孔管不小于3寸，封孔距離不小于6 m。高位鉆場鉆孔設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 高位鉆場鉆孔布置Fig.6 Drilling layout of high level drilling field

根據(jù)現(xiàn)場鉆孔設(shè)計(jì)，利用UDEC數(shù)值模擬軟件分析高位鉆場附近巖層裂隙發(fā)育情況，如圖7所示。

圖7 數(shù)值模擬結(jié)果Fig.7 Results of numerical simulation

由圖7模擬結(jié)果可以看出沿工作面傾向方向，回風(fēng)巷靠近工作面?zhèn)葒鷰r豎向裂隙比較發(fā)育，高位鉆場鉆孔位于豎向裂隙發(fā)育區(qū)，采空區(qū)瓦斯能夠通過豎向裂隙進(jìn)入高位鉆場鉆孔達(dá)到抽采要求。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 采空區(qū)埋管實(shí)測

工作面自回采初期，利用瓦斯監(jiān)測儀對工作面上隅角瓦斯進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，將九個測點(diǎn)按每400 mm分別布置在支架后方，選取上隅角渦流處1#測點(diǎn)的數(shù)據(jù)做分析，1#測點(diǎn)的治理效果可以很好地驗(yàn)證采空區(qū)瓦斯的治理效果，實(shí)測數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 1#測點(diǎn)瓦斯?jié)舛扔涗洈?shù)據(jù)Fig.8 Gas concentration recording data of 1# measurement point

由圖8可知，瓦斯?jié)舛鹊拇蠓葴p少發(fā)生在3月19日采空區(qū)埋管后。經(jīng)過采空區(qū)埋管前后比對，采空區(qū)埋管后采空區(qū)瓦斯含量平均值降低了4.27%，降低幅度達(dá)到了45.57%。安裝埋管后，采空區(qū)瓦斯沒有再發(fā)生超限。

4.2 高位鉆場抽采效果

自布置高位鉆場之日起，現(xiàn)場實(shí)測3204工作面回風(fēng)巷1#，2#及3#高位鉆場瓦斯抽采鉆孔瓦斯?jié)舛?，每個鉆場打鉆孔15個，記錄各個鉆孔的瓦斯抽采濃度值，選用2#鉆場的鉆孔抽采瓦斯數(shù)據(jù)作統(tǒng)計(jì)圖，見圖9所示。

圖9 2#鉆場各鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)圖Fig.9 Data drawing of gas extraction from drill hole in 2# drilling field

根據(jù)圖示，可以看到鉆孔中絕大部分鉆孔抽出了瓦斯，且瓦斯抽采值比較理想。因此，高位鉆場的布置比較合理，對于采空區(qū)瓦斯治理起到了作用，很好地輔助了采空區(qū)埋管的瓦斯治理措施。

5 結(jié)論

(1)通過Fluent數(shù)值模擬分析了3204工作面及采空區(qū)瓦斯三維分布及瓦斯流動特征，得到：“U”型通風(fēng)條件下，采空區(qū)瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)沿采空區(qū)深度方向逐漸增加，在采空區(qū)最深處及工作面上隅角處分別達(dá)到最大值。

(2)與采空區(qū)無埋管條件下瓦斯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布相比，埋管條件下采空區(qū)深處瓦斯?jié)舛戎匦路植?，峰值影響范圍明顯降低，同時擴(kuò)大了工作面附近采空區(qū)瓦斯低值區(qū)域，降低了工作面及回風(fēng)巷處的瓦斯?jié)舛?，采空區(qū)埋管對于治理采空區(qū)及上隅角瓦斯?jié)舛瘸蘧哂蟹e極意義。

(3)采空區(qū)埋管瓦斯抽采技術(shù)可以使采空區(qū)瓦斯?jié)舛认陆?.27%，降低程度為45.57%，效果比較顯著。高位鉆場抽采方案達(dá)到了抽采效果，降低了瓦斯?jié)舛取?/p>

(4)實(shí)測了工作面回采期間采空區(qū)瓦斯?jié)舛取⒒夭善陂g上隅角瓦斯?jié)舛?、高位鉆場瓦斯抽采鉆孔瓦斯?jié)舛?，綜合分析了瓦斯治理效果。得出以采空區(qū)埋管為主，高位鉆場抽采為輔的采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)方案，并為以后瓦斯治理工作提供借鑒。