王志強(qiáng)

（潞安環(huán)能股份有限公司王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031）

煤礦瓦斯是制約礦井安全生產(chǎn)的主要因素之一，而隨著礦井開采深度的不斷增加，煤層中瓦斯含量呈非線性遞增趨勢(shì)，瓦斯治理難度和瓦斯威脅強(qiáng)度不斷提升。煤層開采后，上覆巖層形成采動(dòng)裂隙，形成卸壓瓦斯的儲(chǔ)存空間和流動(dòng)通道，而工作面采用“U+高抽巷”通風(fēng)系統(tǒng)，高抽巷抽采負(fù)壓會(huì)促使工作面、采空區(qū)和高抽巷間的漏風(fēng)通道的形成，直接影響到采空區(qū)原有瓦斯流場(chǎng)的分布。為了后期布置鉆孔輔助“U+高抽巷”瓦斯抽排，必須對(duì)高抽巷影響下的裂隙帶瓦斯運(yùn)移規(guī)律、采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律等關(guān)鍵問題進(jìn)行探討，以便確定采空區(qū)瓦斯積聚區(qū)域。本文以王莊煤礦9105工作面為例，通過數(shù)值模擬的方法對(duì)采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行模擬分析，以便為該區(qū)域瓦斯治理提供依據(jù)，也為王莊煤礦類似條件下瓦斯抽排提供經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

9105工作面位于王莊煤礦后備區(qū)，是王莊煤礦首個(gè)超大型回采工作面，設(shè)計(jì)回采長(zhǎng)度3432m，切眼長(zhǎng)度340m，工作面標(biāo)高377～522m，平均煤厚6.5m，煤層傾角2～12°，采用綜采放頂煤一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板。按照已有瓦斯含量與埋深關(guān)系曲線推斷，該工作面屬于瓦斯風(fēng)化帶，相對(duì)瓦斯涌出量為9.43m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量為37.50m3/min，屬高瓦斯工作面，無瓦斯、CO2突出危險(xiǎn)傾向，煤層正常涌水量30m3/h。通過已有采區(qū)研究結(jié)果計(jì)算，工作面回采期間形成的冒落帶最大高度范圍17.55～23.4m，裂隙帶最大高度范圍為49.48～60.68m。根據(jù)9105工作面實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，在日產(chǎn)量15000t生產(chǎn)條件下，采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量約為28.33m3/min，擬采用“U+高抽巷”通風(fēng)方式，以及布置后期輔助鉆孔對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽排，高抽巷層位選擇距離煤層頂板10～15m垂距，距離回風(fēng)巷12～16m水平距離。

2 數(shù)值模型構(gòu)建

本文基于FLUENT軟件對(duì)工作面采動(dòng)過程中瓦斯運(yùn)移及分布進(jìn)行模擬分析。按照9105工作面實(shí)際情況，忽略頂板周期來壓等特殊情況，僅考慮進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、高抽巷和采空區(qū)漏風(fēng)對(duì)采動(dòng)裂隙場(chǎng)瓦斯?jié)舛鹊姆植加绊憽ＤＰ蜆?gòu)建如下：（1）進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷高度為3m，長(zhǎng)為25m，寬為5m；工作面的長(zhǎng)度為340m，高為3m，寬為4m；（2）采空區(qū)長(zhǎng)為300m，寬為4m，高為3～50m；（3）高抽巷高3m，寬3m，與煤層頂板距15m，與回風(fēng)巷平距16m；（4）根據(jù)采空區(qū)碎脹程度劃分為15個(gè)區(qū)域；（5）用 Gambit 處理器建立兩個(gè)模型，每個(gè)模型均采用 TGrid 進(jìn)風(fēng)網(wǎng)格的劃分，每個(gè)模型劃分的單元格為 78.4 萬個(gè)。模擬參數(shù)選取：（1）按照采空區(qū)碎脹程度分區(qū)，確定孔隙率、滲透率參數(shù)，見表1；（2）工作面煤壁的瓦斯涌出量為 11m3/min，采空區(qū)遺煤和鄰近層瓦斯涌出量為 42m3/min；（3）進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置為風(fēng)流進(jìn)口，入口風(fēng)速3m/s，瓦斯?jié)舛葹?0，出口設(shè)置為自由出口，整個(gè)采空區(qū)設(shè)置為多空介質(zhì)，其他固體邊界設(shè)置為墻壁。

表1 9105工作面不同區(qū)域孔隙率、滲透率

3 采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律探討

根據(jù)9105工作面高抽巷的布置設(shè)計(jì)，通過數(shù)值模擬得出高抽巷影響下采空區(qū)的瓦斯流向，其中，X軸代表采空區(qū)走向，Y軸代表距工作面位置距離，Z軸代表相對(duì)于煤層底板的采空區(qū)高度距離。

3.1 采空區(qū)走向方向上瓦斯分布規(guī)律

基于數(shù)值模擬對(duì)采空區(qū)走向方向上瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行分析，見圖1。距離煤層底板不同的采空區(qū)高度，采空區(qū)瓦斯?jié)舛榷茧S采空區(qū)走向距離、距離工作面位置的增加而呈遞增趨勢(shì)。而在高抽巷抽排采空區(qū)上隅角瓦斯的作用下，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)（X≤50m，Y≥200m）瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低。對(duì)比不同采空區(qū)高度（Z=5m、Z=25m）的瓦斯分布，可以看出：

（1）在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)（X≤50m ，Y≥200m），距離底板高度為5m的采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀哂诰嚯x底板高度為25m的采空區(qū)。以0.05瓦斯?jié)舛鹊戎稻€來說，5m和25m高度0.05等值線距離回風(fēng)巷分別為38m和47m。

（2）在采空區(qū)后段，采空區(qū)高度為Z=5m瓦斯?jié)舛鹊陀?Z=25m的瓦斯?jié)舛?。以瓦斯?jié)舛葹?0%等值線為例，Z=5m處0.8等值線距離為267m，Z=25m處80%等值線距離為195m。

綜合分析，由于設(shè)計(jì)高抽巷位置距離煤層底板為15m，在不考慮底板位移情況下，高抽巷與Z=25m采空區(qū)層面垂直距離更近（約為3.5m），抽采效果更為明顯。而隨著采空區(qū)距離工作面距離增加，瓦斯上浮效應(yīng)作用更強(qiáng)，雖然在高抽巷作用下，采空區(qū)瓦斯?jié)舛扔兴陆?，但上浮作用大于高抽巷瓦斯抽采能力，致使采空區(qū)垂高越大，瓦斯?jié)舛仍酱?，在采空區(qū)上部形成高濃度瓦斯積聚區(qū)。

圖1 采空區(qū)沿走向（X軸）方向不同垂高處瓦斯分布規(guī)律

3.2 采空區(qū)高度方向上瓦斯分布規(guī)律

沿Y軸方向，選取Y=5m、Y=170m 和Y=330m 三個(gè)截面上的瓦斯分布，分別代表采空區(qū)回風(fēng)測(cè)、中部和后部，見圖2。分析瓦斯分布曲線可以看出：

圖2 工作面不同位置采空區(qū)方向瓦斯分布規(guī)律

（1）采空區(qū)瓦斯?jié)舛入S著距回風(fēng)巷距離的增大而逐漸增大，并且出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。對(duì)于瓦斯?jié)舛葹?.8等值線來說，Y=5m、Y=170m和Y=330m處0.8等值線距離進(jìn)風(fēng)巷距離分別為268m、190m和136m，而隨著采空區(qū)高度的上升，采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀鼮榉e聚。即采空區(qū)瓦斯隨著距回風(fēng)巷距離的增大，不斷向采空區(qū)上隅角位置積聚，而隨著距工作面距離的增大，聚集效應(yīng)更為明顯。

（2）采空區(qū)回風(fēng)側(cè)Y=5m、中部Y=170m的瓦斯?jié)舛入S著采空區(qū)高度的上升呈現(xiàn)先降低后增加的規(guī)律，而在采空區(qū)后部Y=330m處，采空區(qū)瓦斯?jié)舛葞缀醭尸F(xiàn)不斷上升趨勢(shì)。

可見，在高抽巷作用下，采空區(qū)靠近回風(fēng)側(cè)仍然存在高濃度瓦斯積聚區(qū)域，而隨著采空區(qū)高度的增加，這種積聚效應(yīng)尤為明顯。所以，為了更好的進(jìn)行瓦斯抽排，降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，可以采取向采空區(qū)回風(fēng)側(cè)裂隙帶內(nèi)施工輔助抽采鉆孔。

4 結(jié)論

采用“U+高抽巷”瓦斯抽放方法，降低了采空區(qū)瓦斯?jié)舛龋瑴p少了采空區(qū)向上隅角的瓦斯涌出量，從而降低了上隅角瓦斯?jié)舛?。在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)靠近高抽巷位置，瓦斯抽排效果更好，而隨著采空區(qū)與高抽巷距離的不斷增加，瓦斯上浮效應(yīng)作用大于高抽巷抽排作用，造成瓦斯積聚，形成高瓦斯區(qū)域。因此可以在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)中上部、采空區(qū)后部施工輔助抽采鉆孔，從而達(dá)到抽放采空區(qū)高濃度瓦斯的目的。