高瓦斯突出煤層工作面采空區(qū)瓦斯防治技術(shù)研究

王沉 楊帥 江成玉 薛博

摘 要：針對(duì)高瓦斯突出煤層工作面上隅角瓦斯易超限的技術(shù)難題，以鄒莊礦3204工作面為工程背景，利用數(shù)值模擬、理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的研究方法，對(duì)采空區(qū)埋管及無埋管條件下工作面及采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明： 采空區(qū)埋管增加了上隅角瓦斯流動(dòng)的通道，分流了采空區(qū)及工作面涌出的部分瓦斯，降低了上隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?。?jù)此，提出了采空區(qū)埋管為主，高位鉆場(chǎng)抽采為輔的采空區(qū)瓦斯治理方案，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了工作面高位鉆場(chǎng)布置層位的合理性。工業(yè)性試驗(yàn)表明：采空區(qū)埋管為主，高位鉆場(chǎng)抽采為輔的采空區(qū)瓦斯治理方案對(duì)實(shí)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯治理具有積極意義。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)埋管;數(shù)值模擬;高位鉆場(chǎng)抽采;瓦斯分布規(guī)律;瓦斯防治

中圖分類號(hào)：TD712.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

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(duì)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(chǎng)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(chǎng)實(shí)測(cè)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)變化，而是將某一回采時(shí)期進(jìn)尺較大的采空區(qū)作為研究對(duì)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(dòng)空間為采空區(qū)、工作面和回采巷道。鑒于以上瓦斯流動(dòng)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(dòng)問題。為簡(jiǎn)化問題，本研究對(duì)采空區(qū)瓦斯流動(dòng)模型作了如下規(guī)定和假設(shè)：

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(dòng)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(shí)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(duì)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(chǎng)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(cè)了工作面回采期間采空區(qū)瓦斯?jié)舛?、回采期間上隅角瓦斯?jié)舛?、高位鉆場(chǎng)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(chǎng)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。

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（責(zé)任編輯：周曉南）