采煤工作面上隅角瓦斯治理技术

文/孙绪志 王汝

江苏宏安集团莆河煤矿为高瓦斯矿井，同时采用炮采落煤、全部垮落法处理采空区，造成上隅角和工作面瓦斯浓度严重超限，影响矿井的正常安全生产。

一、上隅角瓦斯积聚原因

煤矿采煤工作面多采用“U”型通风方式，上隅角容易积聚瓦斯是其存在的主要问题。由于瓦斯相对密度是0.554，比空气密度小，常积聚在巷道的上部及高顶处，这种现象叫上隅角瓦斯积聚。而进入采空区的漏风携带瓦斯从上隅角流出，与主风流汇合时形成漩涡区，不能及时被主风流带走，造成瓦斯积聚超限。

二、埋管抽放采空区瓦斯基本原理

研究表明，当采空区瓦斯涌出强度超过一定值时，必须进行瓦斯治理。在上述的上隅角瓦斯治理方法中，埋管抽放采空区瓦斯从而防止和降低上隅角瓦斯积聚的方法，是一种有效的防治技术，抽放效果最好，在工艺中已形成较为完整的一套技术方法，便于从根本上解决上隅角瓦斯积聚问题。

一般认为，煤层回采后，在其顶板形成三个受采动影响的地带：冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，在其底板则形成卸压带。在压差作用下，大量由邻近层(QL)、本煤层涌出的瓦斯流向采空区(QB)，由于回采有部分瓦斯留在采空区，碎煤也有部分瓦斯散出(量相对较少)(QF)，采空区内瓦斯总量：QZ=QL+QB+QF。通过机械方式使采空区与之相通的管道(巷道)产生压差，使大量的高浓度采空区瓦斯被抽放出，减少和避免采空区瓦斯沿漏风风流涌向工作面，达到工作面上隅角瓦斯不积聚和不超限（如图1所示）。

三、上隅角瓦斯治理

为了解决莆河煤矿瓦斯抽放中遇到的问题，采用数值模拟的方法进行解决。依据实验数据和现场所测的数据，采用GAMBIT建立计算模型，用FLUENT进行数值模拟，研究采空区沿工作面走向、倾向和竖向三个不同方向上的瓦斯浓度的分布规律，进而对埋管抽放采空区上隅角瓦斯提供依据，运用数值模拟的方法确定瓦斯抽放距离、抽放位置和抽放量的问题。

1.首先在现场测试的基础上，以莆河煤矿回采面采空区瓦斯为研究对象，对采空区瓦斯来源、各个部分瓦斯含量及其影响因素进行分析，并研究不同的回采速度对采空区瓦斯涌出的影响。

2.基本假设。

(1)炮采面采空区多为多空介质，在多空介质中瓦斯被视为理想气体，其渗流过程按等温过程处理。

(2)瓦斯在煤、岩层中的流动符合达西定律，吸附瓦斯符合朗格缪尔方程，瓦斯在空隙结构微孔中的扩散运动符合菲克定律。

3.几何模型的建立。依据现场实际和数值模拟的需要，将莆河煤矿采空区进行一定的简化。简化后的模型及其尺寸如下：

(1)工作面、进风巷、回风巷、采空区均视为规则的几何图形，不考虑设备的情况。

(2)为区别采空区不同的孔隙率，将其划分为裂隙带1、裂隙带2，冒落带1、冒落带2、冒落带3。

(3)采空区走向长度取142m，倾斜长度取82m（包括进风巷和回风巷宽度）；垂直高度取2.2m，其中走向长度分为三段，分别为8m、40m、94m；垂直高度分为两段，为0.6m和1.6m。

(4)采空区孔隙率和粘性系数按照矿井鉴定材料选取。

几何模型的主视图和俯视图如图2和图3所示。

4.按照以上的参数及边界条件对U型通风方式进行数值模拟，入口风速取1.6m进行数值模拟，得出在采空区距工作面深2.3m、距底板垂高1.5m、距采空区煤壁1.7m处进行抽放最为有效；抽放负压为27.79KPa、抽放量为58m3/min时抽放效果最好。

四、现场应用效果

依据数值模拟的结果对上隅角瓦斯进行抽放，虽然有效降低了上隅角和回风巷风流中的瓦斯浓度，但是仍然没有降低到1%以下。经过现场测试分析原因，可能为上隅角采用麻袋装满矸石封堵效果不好；抽放泵抽放能力有限，研究决定采用以下两个方法来解决问题。

1. 提高抽放过程的气密性，减少漏风，提高抽放效果。在上隅角敷设瓦斯抽放管路与矿井瓦斯抽放系统连接；在上隅角切顶线处采用轻质材料砌筑可移动临时墙。工作面上出口段的瓦斯抽放管路采用长3m、直径219mm的聚乙烯管，后接直径219mm钢丝软胶管，钢丝软管上接好变节，与聚乙烯管连接。将长3m的聚乙烯管伸入上隅角切顶线以内2.3m左右，吸入口用钢纱网包好，防止破碎顶板堵塞吸入口，吸入口按照数值模拟的结果进行安放。可移动临时墙主要采用内装碎煤的鱼鳞编织袋垒砌，顶部用双抗网堵严，以提高抽放瓦斯的浓度及减少上隅角瓦斯积聚的空间。工作面每推进一个循环拉出一次钢丝软胶管，并进行固定封堵，采面每推进2m拆一次抽放的聚乙烯管。回采工作面上隅角回料时，正常进行抽放，同时进行拆墙、砌墙工作，而随着上隅角往外回料，抽放管往外回出一部分，始终保持抽放管在上隅角墙内2.3m，确保抽放效果。

2. 增强瓦斯抽放泵的抽放能力。现场实际上隅角瓦斯抽放采用两台2BEA-253型抽放泵。经现场检测，即使瓦斯抽放泵达到其最高抽放能力，上隅角瓦斯浓度依然不能达到规定要求以下。由此可见更换抽放能力更强的瓦斯抽放泵十分必要。根据计算和现场经验，选择2BEA -303型抽放泵，配备电机功率为90 KW，可以满足现场需要。

在采用了新的抽放泵和上隅角封堵方法后，上隅角瓦斯浓度明显降低并达到0.65%以下，抽放效果达到了预期的目的。

五、结论

1. 结合莆河煤矿具体情况，由于上隅角瓦斯浓度过高，必须采用高效率的瓦斯抽放系统。

2. 通过计算机模拟研究不同的抽放距离、抽放量和抽放位置对采空区和上隅角瓦斯的影响，选取合理抽放参数，从而提高抽放效率。

3. 根据数值模拟结果提出抽放方案应用于现场试验，并根据现场的实际情况提出改进方案，有效提高了瓦斯抽放率并将上隅角的瓦斯浓度降到规定浓度以下。