基于数值模拟的塔山煤矿8104综放面瓦斯治理方案选择①

2013-08-28牛建华

华北科技学院学报 2013年3期

牛建华

(唐山开滦赵各庄矿业有限公司，河北唐山 063100)

煤矿瓦斯治理措施主要包括通风和抽放两种方法。通风是防治瓦斯灾害，保证生产安全的一项基本措施，抽放则是治理瓦斯灾害的一项根本性措施;对于一个矿井或者一个回采工作面来说，选用合理的瓦斯治理措施，能够使得瓦斯灾害防治工作事半功倍，而且不至于诱发次生灾害［1－3］。

塔山井田位于山西省大同煤田东翼中东部边缘地带，主要开采二叠系下统山西组和石炭系上统太原组，地层总厚86.2～177.20 m，平均为157.93 m，共含煤15层，煤层总厚38.25 m，含煤系数24%，现开采石炭纪二叠系3～5#煤层，煤层平均厚度15.72 m，煤尘有爆炸性危险，煤层有自然发火倾向，矿井瓦斯等级为高瓦斯矿井。矿井采用抽出式通风通风方式，由盘道村回风立井回风(井筒直径6.5 m)，矿井生产初期由主、副平硐及盘道进风立井进风，风量为17000 m3/min，负压为2116 Pa;后期矿井进风量为21000 m3/min，负压为2810 Pa。

8104综放工作面东为8103工作面;南为1070回风巷、皮带巷、辅运巷;西为8105工作面，正在掘进;北为大同～乔村铁路及建筑物保护煤柱。采用综合机械化采煤，煤层开采强度较大(日产量40000～60000 t/d)，瓦斯绝对涌出量较高(绝对瓦斯涌出量为31.17～46.75 m3/min)，瓦斯灾害给该工作面的安全高效开采带来一定威胁;同时，该工作面所开采的3#煤层属自燃煤层，这就要求所采取的瓦斯灾害防治措施要尽量避免增加采空区深部漏风［4］。

为此，本研究借助数值模拟手段对8104综放工作面采用不同瓦斯治理措施条件下的采空区瓦斯运移分布规律进行分析，并根据分析结果，对该工作面的瓦斯防治技术方案进行优选与设计。

1 8104综放面抽采瓦斯必要性与可行性分析

1.1 抽采瓦斯必要性分析

塔山矿8104工作面如果产量为30000 t/d，工作面绝对瓦斯涌出量将达到23.38 m3/min;工作面产量为50000 t/d时，工作面绝对瓦斯涌出量将达到38.96 m3/min，远大于5 m3/min。因此已经符合《煤矿安全规程》建立抽采系统的必要条件。

采掘工作面是否进行瓦斯抽采的判断标准:工作面的供风量不能满足稀释瓦斯的需要，即下式成立时，抽采瓦斯才是必要的。

式中 Q0——采掘工作面供风量，m3/min;

Q——采掘工作面瓦斯涌出量，m3/min;

C——采掘工作面允许的瓦斯浓度，%;

K——瓦斯涌出不均衡系数，取K=1.5。

8104工作面日产量按50000t计算，绝对瓦斯涌出量将达到38.96m3/min，需要风量5000m3/min，而实际供风量仅为2500m3/min左右。因此有必要建立瓦斯抽采系统。

综合上述分析，塔山矿有必要在首采区建立抽采系统，对3#煤层首采区采空区瓦斯和邻近层瓦斯进行抽采，保证工作面上隅角瓦斯不超限。

1.2 抽采瓦斯可行性分析

一般而言，本煤层瓦斯抽采的可行性衡量指标有两个:一为煤层透气性系数(λ);二为钻孔瓦斯流量衰减系数(α)。塔山煤矿3#煤层钻孔瓦斯流量衰减系数α为0.602～0.7427，属于较难抽采范围;煤层透气性系数λ为171.71～428.80，属于容易抽放范围;综合考虑，8104综放工作面不具备本煤层瓦斯预抽条件。

塔山煤矿8104工作面瓦斯主要来源于采空区，采空区瓦斯涌出量占工作面总瓦斯的涌出量60%以上。其瓦斯来源于受采动影响的上邻近层4号和2号煤层、围岩层、采空区丢煤和煤柱以及预放煤体涌出的瓦斯。在3#煤层工作面开采期间，邻近层和围岩层有相当数量的瓦斯涌入开采层的采空区和工作面。若能在工作面上隅角预埋抽采瓦斯管道或在2#煤层掘一条内错高位专用抽采瓦斯巷密闭抽采采空区瓦斯，既可以直接抽采邻近层涌出的卸压瓦斯，也可以通过裂隙抽采工作面采空区内高冒拱内的瓦斯。塔山矿8104瓦斯涌出量预测值可达38.96 m3/min，其中有82%来源于采空区，因此对8104工作面采空区进行抽采是可行的。

综上所述，塔山煤矿8104综放工作面开采3#煤层，不具备本煤层瓦斯预抽条件。为减少采空区瓦斯涌出量，减轻矿井通风负担，保证工作面正常开采，对8104综放工作面进行邻近层及采空区瓦斯抽采是可行的。

2 瓦斯抽放数值模拟方案设计

根据塔山矿实际生产情况，采用FLUENT软件，建立物理模型，并进行理想化假设［5－7］。在此基础上，建立采用上隅角抽采、顶回风巷引排和顶回风巷抽采等方法防治瓦斯时的计算模型，并利用结构化非均匀网格离散计算区域，网格数目分别为 300，000 和310，000。

图1为基于U型工作面采用上隅角抽采方法处理瓦斯的布置示意图，在回风巷布置两条抽采管路，分别为DN400mm，DN500mm抽采管路，在抽采管路末端，连接骨架风筒(软质风筒)，骨架风筒另一端与封堵墙上预埋的2 m长PE管相连，抽采封堵以里的瓦斯。为研究方便，本论文根据现场实测数据，在回风巷道工作面出口设置与两条抽采管路截面积相当的“管道”(如图2中局部放大图A)，模拟上隅角瓦斯抽采的工况。

图1 U型工作面上隅角抽采布置图

图2 采用上隅角抽采措施时计算模型网格

顶回风巷全风压引排和抽采时的布置与图1基本相似，不同的是，少了上隅角抽采管道，并在煤层顶板加设一条巷道。根据塔山矿8104工作面实施顶回引排、抽采瓦斯的实际情况，这条顶回风巷设在该工作面回风侧内错20 m位置，沿煤层顶板布置。

研究过程中，假定采空区内没有热源、温度均匀、且渗透性在各方向上相同，采空区除了上下隅角外没有其他出口;巷道入口、出口处湍流参数采用同样方法处理;依据综放面采空区瓦斯的预测涌出量，假定采空区底板有瓦斯涌出，涌出速度0.0073 m3/s。

3 不同方案条件下的瓦斯治理数值模拟

3.1 上隅角抽采时采空区瓦斯运移规律数值模拟

在U型通风条件下，从进风巷沿工作面到回风巷瓦斯浓度逐渐增加，在进风侧风流瓦斯浓度较低，上隅角靠近采空区一侧风流瓦斯浓度较高，工作面漏风带出大量采空区瓦斯是上隅角瓦斯积聚的主要原因。

根据所设置的物理模型，假定回风风量为2500 m3/min、抽采量为250 m3/min和回风风量3400 m3/min、抽采量400 m3/min(分别简称为工况1、工况2)，通过数值模拟可计算出该条件下的工作面及采空区压力分布、空气速度分布及瓦斯浓度分布情况，因本文篇幅受限，在此仅显示瓦斯浓度分布图片，具体如图3和图4所示。

图3 截面瓦斯浓度分布(工况1)

图4 截面瓦斯浓度分布(工况2)

在图3和图4中，截面沿x向的位置坐标为3.0 m。从图中可以看出，在进风侧的采空区区域，由于漏入的是新鲜风流，将沿程瓦斯稀释并带走，所以该区域瓦斯浓度很小。

采用抽采措施后，瓦斯抽采系统排至地面或被利用。抽采掉的风流占深部漏风流的大部分，抽采流带形成了一条“屏障”，阻止了采空区深部瓦斯向上隅角的涌入，从而降低上隅角瓦斯浓度。从工况1和工况2的计算结果来看，在工况2条件下，工作面风量、抽采量较大，对于上隅角瓦斯积聚的问题具有更好的缓解作用，但是也会使工作面新鲜风流大量漏入采空区;而且在采空区存在漏风源的条件下，较大的风量和抽采量势必造成瓦斯等有毒有害气体的涌入;对于易自燃煤层则会成为采空区自燃的重大隐患。因此，该办法仅适用于采空区一侧无漏风源、抽采系统开启后不致于增大采空区漏风的情况。

3.2 顶板巷自然引排时采空区瓦斯运移规律数值模拟

同理，对于采用顶回风巷引排法治理采空区瓦斯，也可以利用物理模型及网格计算回风风量为2700 m3/min、引排量分别为 400 m3/min和800 m3/min(分别简称为工况1、工况2)条件下工作面及采空区空气流场压力和瓦斯浓度分布情况。在此，也仅展示瓦斯浓度分布图片，具体如图5和图6所示。

图5 截面瓦斯浓度分布(工况1)

图6 截面瓦斯浓度分布(工况2)

这两个截面沿x向的位置坐标也是3.0 m。从图中可以看出，随着引排量增大，采空区漏风较大部分从顶回风巷排出，也带走了大量瓦斯;但是引排量增大势必会影响工作面正常供风，因此，采用该方法时，在保证工作面足够需风量条件下，适当增大顶回风巷引排量有利于采用去瓦斯的排出。

3.3 顶板巷抽采时采空区瓦斯运移规律数值模拟

同理，对于工作面采用顶板巷道抽采的方法治理采空区涌出瓦斯，也利用物理模型及网格计算当回风风量2500 m3/min、抽采量800 m3/min和回风风量1800 m3/min、抽采量500 m3/min(分别简称为工况1、工况2)条件下工作面及采空区空气流场、瓦斯浓度分布情况。在此，也仅展示瓦斯浓度分布图片，具体如图7和图8所示。

图7 截面瓦斯浓度分布(工况1)

图8 截面瓦斯浓度分布(工况2)

这两个截面沿x向的位置坐标也是3.0 m。从图中可以看出，经过在顶板巷瓦斯抽采，采空区回风隅角处瓦斯浓度大幅度降低，基本控制了采空区向工作面的瓦斯涌出，起到“分流”瓦斯的作用，降低了采空区瓦斯浓度，对于防止上隅角瓦斯积聚效果明显。当回风风量一定时，抽采量越大，导流风量的作用越大，越有利于采空区瓦斯排出。该方法实施过程中，若实际漏风导流风量达不到排放要求，可适当采取增阻调压措施。另外，在使用本方法过程中，应当以尽可能控制采空区内部漏风为前提，尤其对于有自燃发火危险的煤层，应注意采空区自燃问题。

4 8104综放面瓦斯治理方案选择

8104综放工作面采用综采放顶煤开采工艺，全陷法管理顶板;众所周知，这种工艺存在一个较为严重的问题就是煤炭的采出率较低，采空区容易遗留大量煤炭;而该工作面所开采的3#煤层属自燃煤层，最短发火期为60天;因此，采空区遗煤自燃是一个重大安全隐患。

根据上述数值模拟结果可知，在上隅角抽采和顶板巷抽采两种条件下，都会加剧采空区漏风，增加采空区遗煤自燃的风险，因此，从保障安全生产的角度来看，这两种方案是不可取的。

对于第二种方案，即采用顶板巷自然引排，该方案基本能够解决上隅角瓦斯积聚问题，但是，可能影响工作面采场的正常供风，使得工作面采场的瓦斯浓度较高。这种方案，在瓦斯防治方面虽然存在一定风险，但是，相对来说风险较小;如果再增加一些辅助性技术措施，这个缺陷也是可以弥补的，如在采煤机切割煤炭的同时，借助喷雾系统，向煤炭喷洒活性剂，抑制瓦斯涌出，降低工作面煤壁和采落煤炭的瓦斯涌出量，从而有效降低工作面采场通风治理瓦斯的压力。

因此，根据8104综放工作面的实际情况，建议采用顶板巷自然引排治理采空区瓦斯，防止上隅角瓦斯积聚，同时，向工作面采场喷洒活性剂，拟制瓦斯涌出，防止瓦斯超限。