采空區(qū)瓦斯抽采的數(shù)值模擬及工程實(shí)踐應(yīng)用

郭鵬程

（山西陽城皇城相府集團(tuán)史山煤業(yè)有限公司，山西 晉城048102）

井下瓦斯是常見影響礦井安全生產(chǎn)的災(zāi)害之一，具有突發(fā)性強(qiáng)、危險(xiǎn)性高的特點(diǎn)，歷年來，我國都會(huì)發(fā)生數(shù)起煤礦瓦斯事故。同時(shí)，數(shù)據(jù)顯示，在我國國有重點(diǎn)煤礦中，高突礦井（高瓦斯與突出礦井）約占總數(shù)的49.8%，隨著采深的增加和綜采技術(shù)的推進(jìn)，煤炭資源在生產(chǎn)過程中瓦斯涌出量顯著增加，嚴(yán)重地制約著企業(yè)的生產(chǎn)安全[1-2]。

在對高瓦斯煤層進(jìn)行開采時(shí)，除了加強(qiáng)通風(fēng)管理外，還須建立完善的瓦斯抽采系統(tǒng)，并對上隅角、采空區(qū)、工作面等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行有針對性的抽采。同時(shí)，部分高瓦斯煤層也同為自燃煤層，在國內(nèi)因利用頂板巷瓦斯抽采造成采空區(qū)遺煤自燃的案例時(shí)有發(fā)生，如山西石港礦井下綜采工作面采空區(qū)在頂板巷抽采條件下，引發(fā)煤炭自燃，進(jìn)而導(dǎo)致瓦斯燃燒事故。因此在抽采系統(tǒng)選擇時(shí)，一定要進(jìn)行全面的判斷分析[3]。

1 礦井概況

史山煤業(yè)隸屬于山西陽城皇城相府集團(tuán)，位于晉城市陽城縣，可采煤層為3號、15號煤層，生產(chǎn)能力為90萬t/a。經(jīng)瓦斯等級鑒定批復(fù)，山西陽城皇城相府集團(tuán)史山煤業(yè)有限公司（全文簡稱史山煤業(yè)）屬于高瓦斯礦井。

1.1 瓦斯抽采系統(tǒng)

史山煤業(yè)根據(jù)最新編制完成的瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)，已在地面建立有完整的瓦斯抽系統(tǒng)，主要設(shè)備包括：2臺電機(jī)功率達(dá)到400 kW水環(huán)式真空泵，一用一備；抽采主管為Φ508 mm×6 mm螺旋鋼管，支管為Φ325 mm×6 mm螺旋鋼管。

1.2 采空區(qū)瓦斯

在礦井生產(chǎn)初期，需對3號、9號進(jìn)行配采，礦井最大絕對瓦斯涌出量達(dá)19.97 m3/min；至生產(chǎn)后期，需對9號煤層進(jìn)行單獨(dú)開采，礦井最大絕對瓦斯涌出量達(dá)17.85 m3/min（見表1），全礦井的瓦斯涌出量在配采和單采階段相關(guān)不大，分別為19.97 m3/min和17.85 m3/min，兩個(gè)階段采空區(qū)瓦斯涌出量分別為6.11 m3/min和6.43 m3/min，分別占總涌出量的30.06%和36.02%。從涌出量占比方面可以看出，采空區(qū)瓦斯的抽采成功與否，將是史山煤業(yè)瓦斯治理工作的重點(diǎn)。在采掘過程中，開采煤層的鄰近煤層受采動(dòng)影響，賦存瓦斯將向所采煤層采空區(qū)涌入，采空區(qū)所聚集的大量瓦斯又涌向回采工作面。因此，對采空區(qū)及與工作面交界處的瓦斯進(jìn)行有效抽采十分必要。

表1 史山煤業(yè)最大絕對瓦斯涌出量及占比

2 采空區(qū)數(shù)值模擬

CFD數(shù)值模擬是有效的工程技術(shù)應(yīng)用手段，可以對復(fù)雜工程問題進(jìn)行針對性的分析和預(yù)測，同時(shí)可以為企業(yè)降低一定的經(jīng)營成本。筆者將利用CFD軟件對采空區(qū)進(jìn)行建模，并根據(jù)不同工況下流體（瓦斯、氧氣等）流場、壓力場、速度場、濃度的分布，分析采空區(qū)瓦斯治理的具體措施，為井下瓦斯治理提供理論參考依據(jù)[4]。

2.1 采空區(qū)模型的建立與分析

井下采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出形式復(fù)雜，而影響其涌出的主要因素包括通風(fēng)強(qiáng)度、瓦斯涌出速率、采空區(qū)內(nèi)部環(huán)境等。筆者選取史山煤業(yè)9號煤保護(hù)層作為研究對象，通過建立3 d模擬圖形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以示意圖剖面的形式對工作面的采空區(qū)瓦斯流動(dòng)特征及分布規(guī)律進(jìn)行展示。

史山煤業(yè)目前采用負(fù)壓U型通風(fēng)，在進(jìn)行模擬前，需使用ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格處理軟件來對綜采工作面與采空區(qū)模塊進(jìn)行物理模型的構(gòu)建與網(wǎng)格劃分。如圖1所示，建模完成網(wǎng)格數(shù)總計(jì)29 000個(gè)，工作面長×寬×高=210 m×50 m×2.5 m。巷道進(jìn)風(fēng)側(cè)的邊界點(diǎn)為模擬原點(diǎn)，X軸正方向?yàn)椴煽諈^(qū)內(nèi)部，Y軸正方向微工作面風(fēng)流方向，沿頂板方向?yàn)閆軸正方向，瓦斯涌出量設(shè)置為20 m3/min。網(wǎng)格成功生成后導(dǎo)入Fluent6.0進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖1 工作面CFD模型網(wǎng)格劃分

2.2 采空區(qū)流場分布規(guī)律

采空區(qū)氣體運(yùn)移的趨勢和瓦斯?jié)舛鹊姆植际芰鲌鰤毫τ绊戄^大，對此正常開采下進(jìn)行模擬分析。如圖2，風(fēng)流在流經(jīng)工作面時(shí)，壓力呈不均勻分布，這是由于進(jìn)回風(fēng)巷道間風(fēng)壓差的作用會(huì)向采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)。

圖2 采空區(qū)開采水平壓力分布圖

如圖3，風(fēng)流進(jìn)入工作面后，進(jìn)風(fēng)巷的漏風(fēng)量遠(yuǎn)超回風(fēng)巷，風(fēng)流將受慣性力的影響由進(jìn)風(fēng)巷向采空區(qū)深部滲透。隨著采空區(qū)深度的增加，漏風(fēng)量與風(fēng)速降低將逐漸降低，此時(shí)需在工作面與采空區(qū)交接處設(shè)置風(fēng)流引導(dǎo)裝置，減少采空區(qū)漏風(fēng)量并確保風(fēng)量充足。

2.3 采場瓦斯一般分布規(guī)律

圖4 為采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植?，瓦斯大量聚集于采空區(qū)深部位置，從回風(fēng)巷上隅角涌出，受通風(fēng)風(fēng)壓的作用，瓦斯?jié)舛仍谶M(jìn)回風(fēng)兩側(cè)呈規(guī)律性分布。結(jié)合圖2與圖3，由于礦井采用U型通風(fēng)，回風(fēng)巷上隅角為低風(fēng)壓位置，風(fēng)流將在此處匯聚并擴(kuò)散，該區(qū)域長期處于紊流狀態(tài)，因此對于局部瓦斯的控制是瓦斯治理的難點(diǎn)。

圖3 采空區(qū)漏風(fēng)速度分布

圖4 采場瓦斯?jié)舛鹊戎稻€分布圖

3 瓦斯抽采

3.1 抽采方法的確定

筆者根據(jù)史山煤業(yè)實(shí)際條件和現(xiàn)有系統(tǒng)，采用工作面頂板高位穿層鉆孔、上隅角插管及采空區(qū)抽采的方法進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域的瓦斯治理，目前，抽采設(shè)備、抽采管路狀態(tài)良好，具備繼續(xù)使用的條件[5]。

9號煤回采工作面采用頂板高位穿層鉆孔抽采工作面瓦斯，同時(shí)，進(jìn)行礦井采空區(qū)瓦斯抽采，抽采位置、鉆孔參數(shù)設(shè)置如下：鉆孔位置：工作面回風(fēng)巷內(nèi)；鉆場間距：40 m；鉆場鉆孔數(shù)：8個(gè)開孔直徑：Φ114 mm；終孔直徑：Φ94 mm；鉆孔角度：上仰10°～25°；鉆孔夾角：與巷道中線成扇形布置；鉆孔長度：100 m；封孔方式：囊袋式注漿封孔；封孔長度：大于8 m。瓦斯鉆孔布置見下頁圖5。

如CFD模擬所示，回風(fēng)側(cè)局部區(qū)域所出現(xiàn)的風(fēng)流紊亂將會(huì)造成瓦斯抽采困難，采空區(qū)與煤壁所釋放的瓦斯會(huì)經(jīng)過回風(fēng)巷進(jìn)入總風(fēng)流中，極易造成上隅角瓦斯?jié)舛鹊某?。?jù)此筆者在回采工作面結(jié)束后，利用閉墻插管抽采采空區(qū)瓦斯。瓦斯?jié)舛却笮‰m得以控制，但波動(dòng)性強(qiáng)，因此在插管與主管連接處必須設(shè)閥門，節(jié)流孔板和濃度檢測口，以便于及時(shí)檢測抽出的瓦斯?jié)舛?、流量?/p>

圖5 瓦斯抽采鉆孔布置圖

3.2 瓦斯抽采量預(yù)計(jì)

9號煤回采工作面采用頂板高位穿層鉆孔進(jìn)行鄰近層的抽采，同時(shí)采用沿空埋/插管對上隅角瓦斯進(jìn)行抽采。根據(jù)抽采瓦斯經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，鄰近層瓦斯抽出率可達(dá)60%。按此計(jì)算，9號煤回采工作面鄰近層瓦斯涌出量為：5.32 m3/min，則瓦斯抽采量預(yù)計(jì)為：Q抽=5.32 m3/min×60%=3.19 m3/min；9號煤回采工作面，根據(jù)鄰近礦井抽采效果，瓦斯抽采量可達(dá)1.0 m3/min。因此9號煤回采工作面瓦斯抽采總量Q抽=3.19 m3/min+1.0 m3/min=4.2 m3/min。

根據(jù)抽采經(jīng)驗(yàn)，礦井采用閉墻插管法的瓦斯抽采率一般為20%，史山煤業(yè)采空區(qū)瓦斯涌出量為6.43 m3/min；據(jù)此計(jì)算礦井采空區(qū)瓦斯抽采量為：Q抽=6.43 m3/min×20%=1.3 m3/min。

4 效果檢驗(yàn)

通過多鉆井聯(lián)合抽采的使用，史山煤業(yè)9號煤層工作面采空區(qū)深部與上隅角的瓦斯含量明顯降低。當(dāng)工作面抽采量達(dá)到4.19 m3/min時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛然究刂圃?%以內(nèi)，符合煤礦安全規(guī)定。此時(shí)需要注意的是不可隨意加大或減小瓦斯抽采量，抽采流量的增大同樣會(huì)使得采空區(qū)漏風(fēng)范圍擴(kuò)大，采空區(qū)深部氧氣侵入與富氧帶區(qū)域擴(kuò)展很可能會(huì)引發(fā)采空區(qū)遺煤自燃等其它事故隱患。

5 結(jié)語

1）利用CFD數(shù)值模擬軟件對史山煤業(yè)9號煤層工作面采空區(qū)風(fēng)流和瓦斯?jié)舛确植挤治龊蟀l(fā)現(xiàn)，漏風(fēng)量與風(fēng)速隨采空區(qū)深度的增加而逐漸降低，導(dǎo)致瓦斯大量聚集于采空區(qū)深部，主要從回風(fēng)巷上隅角涌出。因此需提高工作面風(fēng)量，并對回風(fēng)巷上隅角進(jìn)行重點(diǎn)治理。

2）根據(jù)史山煤業(yè)實(shí)際條件和現(xiàn)有系統(tǒng)，采用工作面頂板高位穿層鉆孔、上隅角插管及采空區(qū)抽采的方法進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域的瓦斯治理。經(jīng)計(jì)算，9號煤回采工作面瓦斯抽采總量預(yù)計(jì)可達(dá)4.2 m3/min，采空區(qū)瓦斯抽采量可達(dá)1.3 m3/min。

3）經(jīng)過合理抽采后，上隅角瓦斯?jié)舛然究刂圃?%以內(nèi)，符合煤礦安全規(guī)定，此時(shí)需要注意控制瓦斯抽采量的大小，不可隨意增減。