張 博

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 山西 太原 030053)

煤礦開采深度的加深，開采強(qiáng)度的加大，使礦井工作面回采期間瓦斯超限問題越來越嚴(yán)重，僅2002—2012年，全國礦井瓦斯爆炸事故就發(fā)生了897起[1-3]. 采空區(qū)瓦斯是工作面瓦斯的重要來源，占50%～60%，因此采空區(qū)瓦斯治理是煤礦瓦斯治理的重點(diǎn)[4, 5]. 對于回采過程中采空區(qū)的瓦斯治理，許多學(xué)者進(jìn)行了研究，袁亮等[6]基于采動覆巖破壞特征，進(jìn)行了大直徑地面立井采空區(qū)瓦斯抽采試驗(yàn)，鉆井總抽采瓦斯量達(dá)到361.7 m3，瓦斯治理效果明顯；凡永鵬等[7]采用數(shù)值模擬和工程實(shí)際相結(jié)合的方法分析了塔山礦不同采空區(qū)瓦斯治理方法的抽采效果，揭示了不同方式的優(yōu)缺點(diǎn)；褚廷湘等[8]基于煤礦瓦斯與浮煤自燃耦合治理的思想，分析了“U+I”型工作面不同工況下，上隅角瓦斯和采空區(qū)自燃“三帶”分布情況；張玫潤等[9]分析了“一面四巷”情況下高抽巷處于不同位置處采空區(qū)瓦斯分布特征，揭示了不同層位高抽巷瓦斯治理效果。

西山煤電集團(tuán)屯蘭礦2012年升級為突出礦井，回采期間瓦斯治理難度大，為有效解決工作面回采期間上隅角瓦斯超限問題，使用地面L型鉆孔代替高抽巷抽采瓦斯。以該礦12507工作面采空區(qū)瓦斯治理為工程背景，采用3DEC軟件分析采動覆巖“三帶”分布特征，使用COMSOL Multiphysics軟件研究不同層位采動裂隙帶L型鉆孔瓦斯抽采效果，為鉆孔合理層位的選擇提供理論依據(jù)。

1 工程概況

屯蘭礦12507工作面采用綜采一次采全高的方法進(jìn)行2#、3#煤層回采，總厚度4.57 m. 工作面走向長度1 644 m，傾向長度220 m，采用U型通風(fēng)，總風(fēng)量為2 100 m3/min. 直接頂為黑色粉砂巖，具緩波狀層理；基本頂為粉砂巖夾細(xì)砂巖薄層長石、石英砂巖，具緩波狀層理；直接底為黑色炭質(zhì)泥巖，含少量植物化石碎片，性脆；基本底為灰色細(xì)砂巖，含植物化石碎片。

2 12507工作面覆巖垮落特征

為分析12507工作面采動過程中覆巖垮落特征，根據(jù)工作面賦存條件，采用3DEC軟件建立工作面回采覆巖垮落數(shù)值模擬模型，模型尺寸x軸方向400 m，y軸方向400 m，z軸方向150 m. 煤層厚度4.57 m，頂板厚度123.78 m，底板厚度21.65 m，根據(jù)煤層埋深情況，模型z軸方向頂面需施加10 MPa的均布荷載。

不同推進(jìn)距離采空區(qū)上覆巖層的垮落情況見圖1. 由圖1可以看出，隨著工作面的向前推進(jìn)，采空區(qū)上覆巖層裂隙帶發(fā)育高度越高，當(dāng)工作面推進(jìn)距離分別為30 m、60 m、90 m、120 m、150 m、180 m時(shí)，裂隙帶高度分別發(fā)育至距煤層頂板8 m、15 m、25 m、36 m、50 m、55 m，垮落帶高度為13 m左右。

根據(jù)覆巖“三帶”理論計(jì)算公式：

圖1 不同推進(jìn)距離覆巖裂隙場演化特征圖

1) 垮落帶高度。

式中：

Hm—垮落帶高度，m；

M—開采煤層厚度，m，取4.57.

2) 裂隙帶高度。

理論計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果差別不大，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 地面L型鉆孔遇巖層位優(yōu)選

為保證地面L型鉆孔能夠高效穩(wěn)定的對回采期間工作面瓦斯進(jìn)行治理，鉆孔水平段遇巖層位的設(shè)置很重要。若L型井距離煤層頂板太近，巖層穩(wěn)定性差，鉆孔塌孔的危險(xiǎn)性大；若L型井距離煤層頂板較遠(yuǎn)，瓦斯抽采效應(yīng)滯后，工作面瓦斯超限可能性大，回采期間的安全不能保證。為對地面L型鉆孔遇巖層位進(jìn)行優(yōu)選，基于COMSOL Multiphysics數(shù)值模擬軟件建立地面L型鉆孔瓦斯抽采模型，分析不同層位L型鉆孔的瓦斯抽采效果。

3.1 采動瓦斯運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

3.1.1氣體運(yùn)移方程

巷道與工作面內(nèi)的氣體流動可以等效為流體在管道內(nèi)的流動，對于管道內(nèi)的流體流動，無論是層流還是湍流納維葉-斯托克斯方程均能很好地描述。因此，采用納維葉-斯托克斯方程對工作面及巷道內(nèi)氣體流動狀態(tài)進(jìn)行描述：

-·η[μ+(μ)T]+ρμ·μ+p=0

式中：

η—?dú)怏w流動黏性系數(shù)，kg/(m·s)；

μ—流體流動速度，m/s；

ρ、p—流體密度、壓力，kg/m3、Pa.

3.1.2采空區(qū)流動方程

煤層回采后上覆頂板破碎充滿整個(gè)采空區(qū)，矸石間存在著大量的空隙，形成一種多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)。選用Brinkman方程對采空區(qū)內(nèi)氣體流動進(jìn)行描述：

式中：

ε—孔隙率；

k—滲透率，m2.

3.1.3瓦斯擴(kuò)散方程

采空區(qū)內(nèi)瓦斯遵守彌散定律和擴(kuò)散定律，但上述方程均不能反應(yīng)瓦斯的擴(kuò)散遷移。因此，采用流體對流-擴(kuò)散方程進(jìn)行補(bǔ)充描述：

式中：

θs—?dú)怏w體積分?jǐn)?shù)；

c—?dú)怏w濃度，mol/m3；

DL—?dú)怏w壓力擴(kuò)散張量，m2/d；

SC—?dú)怏w源項(xiàng)。

3.2 物理模型建立

根據(jù)12507工作面實(shí)際情況，進(jìn)行采動裂隙帶L型井鉆孔瓦斯抽采物理模型建立，見圖2. 模型采空區(qū)尺寸為300 m×220 m×60 m，工作面尺寸為5 m×220 m×3.5 m，兩巷道尺寸為20 m×4.5 m×3.5 m. L型鉆孔d0.171 4 m，為分析不同層位L型鉆孔的抽采效果，鉆孔位置分別設(shè)置于距煤層頂板23 m、33 m、43 m以及53 m.

圖2 采動裂隙帶L型井抽采物理模型圖

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

不同層位L型井瓦斯抽采效果見圖3，由圖3可知，在進(jìn)風(fēng)壓力的作用下，大量氣體由進(jìn)風(fēng)巷側(cè)進(jìn)入采空區(qū)，采空區(qū)前端瓦斯被稀釋，由于回風(fēng)側(cè)為負(fù)壓，漏入的空氣較少，該處瓦斯?jié)舛认鄬^大。不同層位的采動裂隙帶L型鉆孔對采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊挠绊懖煌?，L型鉆孔距離煤層頂板越近，引起的采空區(qū)漏風(fēng)越嚴(yán)重，采空區(qū)整體平均瓦斯?jié)舛仍降汀?/p>

不同層位L型鉆孔瓦斯抽采Z=2 m剖面瓦斯分布圖見圖4，由圖4可知，采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板為23 m時(shí)，由于抽采負(fù)壓的作用，工作面漏風(fēng)量大，回風(fēng)巷上隅角處流體處于渦流狀態(tài)，該處的瓦斯不能有效由回風(fēng)巷流出，此時(shí)上隅角濃度達(dá)到15%. 采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板為33 m時(shí)，在瓦斯抽采負(fù)壓作用下，上隅角瓦斯?jié)舛葹?%. 采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板為55 m時(shí)，雖然瓦斯有上浮效應(yīng)，但由于距離回風(fēng)巷距離較遠(yuǎn)，L型鉆孔對上隅角處的瓦斯治理效果也不夠理想，上隅角瓦斯?jié)舛冗_(dá)到8%. 當(dāng)采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板為43 m時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛葍H為0.6%，瓦斯治理效果較好。因此，屯蘭礦采動裂隙帶L型鉆孔應(yīng)布置在距離煤層頂板43 m左右位置處。

圖3 不同層位L型鉆孔瓦斯抽采效果圖

圖4 不同層位L型鉆孔瓦斯抽采Z=2 m剖面瓦斯分布圖

4 結(jié) 論

1) 采用3DEC軟件對屯蘭礦12507工作面采動覆巖“三帶”進(jìn)行研究，得出采空區(qū)上覆巖層垮落帶高度13 m，裂隙帶高度55 m.

2) 采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板越近，由工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)量越多，采空區(qū)總體瓦斯?jié)舛认鄬υ降汀?/p>

3) 采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板23 m時(shí)，大的漏風(fēng)量引起的上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象明顯，上隅角濃度達(dá)到15%；當(dāng)采動裂隙帶L型鉆孔距離煤層頂板53 m時(shí)，鉆孔對上隅角瓦斯的控制能力相對較差;采動裂隙帶L型鉆孔層位設(shè)置在距離煤層頂板43 m處，此時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛葍H為0.6%.