不同风速下采空区瓦斯分布及抽采技术研究

2018-09-18黄超，孙亮

山西焦煤科技 2018年7期

黄超，孙亮

(1.山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西吕梁 033602； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁抚顺 113122)

随着煤炭资源向深部开采，煤层群的结构也变得复杂。在开采过程中瓦斯地质灾害现象越来越严重，采空区瓦斯含量急剧升高，造成该现象的主要原因是深部开采带来的高地应力，高温度以及高渗透压的影响[1-2]. 采空区属于多孔介质构造，在煤炭开采过程中，煤岩破碎系数及破碎量大，裂隙发育加强，导致漏风增大，引起局部瓦斯超限，促进遗煤氧化反应，加剧煤炭自燃的可能性，给煤炭安全生产带来隐患[3-4]. 因此，对于高瓦斯易自燃的工作面从瓦斯抽采角度考虑应该增大抽采负压，提高抽采效率，但高负压伴随的是氧气浓度增大，会提高煤炭自燃的可能性，若降低负压和减小流量则会导致局部瓦斯积聚，瓦斯浓度升高[5-6]. 因此，本文从采空区遗煤自燃和采空区瓦斯抽采相耦合的角度对采空区的瓦斯运移规律及抽采方案进行研究。

1 理论计算

采空区属于多孔介质结构，瓦斯在采空区的扩散和运移遵循菲克定律，建立瓦斯浓度场的流动方程，即单位时间内流体通过垂直流动方向扩散量与浓度梯度成正比[7-9]. 即：

式中：

JA—流体A在水平方向扩散量，mol/(s·m2)；

dAB—流体A向流体B扩散过程中的扩散系数，m2/s；

同理可得，瓦斯在竖直方向同样遵循菲克定律。

根据连续性方程，在封闭区域内，瓦斯变化量可由3部分组成，分别是空气流动造成的瓦斯浓度差，瓦斯扩散作用所造成的浓度差以及采空区遗煤造成的浓度差，其关系式大致表示为[10]：

W=W1+W2+W3

式中：

W—该区域瓦斯总变化量，mol/L；

W1—空气流动造成的瓦斯浓度差，mol/L；

W2—瓦斯扩散造成的瓦斯浓度差，mol/L；

W3—采空区遗煤造成的瓦斯浓度差，mol/L；

cCH4—该区域瓦斯浓度，mol/L；

kCH4—瓦斯扩散系数；

vx—瓦斯在x方向扩散速率，m/s；

vy—瓦斯在y方向扩散速率，m/s.

2 数值模拟

2.1 建立模型

随着回采及冒落工作的进行，采空区上覆岩层的不同破胀系数可将采空区模型大致划分为16个区域，划分图见图1[11].

图1 采空区区域划分图

根据开采过程导致的岩石应力与岩层控制理论，采场上覆岩层形成的采动裂隙带均可视为多孔介质，运用多孔介质理论进行研究，可得渗透率(k)与黏性阻力系数(R)为[12]：

式中：

k—渗透率；

R—黏性阻力系数；

Kp—破胀系数，可由相似模拟实验测得；

dm—平均粒径，m.

模型各区域渗透率及黏性阻力系数见表1.

2.2 数值模拟

1) 不同高度的瓦斯分布规律。

工作面在推进过程中，由于地应力和风速风量影响，在工作面走向方向采空区瓦斯浓度分布规律是不同的，模拟采空区走向和竖直方向瓦斯分布规律,模拟图分别见图2和图3.

表1 模型各区域渗透率及黏性阻力系数表

图2 采空区走向不同位置瓦斯浓度分布图

图3 采空区不同高度瓦斯浓度分布图

由图2可以看出，沿着工作面走向进行不同的切片分析发现：在走向方向，距离进风口越远瓦斯浓度逐渐增大，进风口浓度几乎为0，而在采空区深部约250 m位置，瓦斯浓度可达80%左右，距离工作面越远瓦斯浓度越高，这是因为采空区瓦斯浓度受采空区漏风和回风口影响。越靠近工作面和回风巷一侧，瓦斯越容易被排出，这是由于煤岩体孔隙率较大，透气性较强，依靠风的动力就可将瓦斯排出，但考虑到矿压影响程度不同，随着冒落，位于采空区中部垮落的岩体被压实，孔隙率变小，漏风影响也较小，因此瓦斯浓度增高的趋势缓慢，浓度低于裂隙带瓦斯浓度。

由图3可看出，在采空区相同的水平距离竖直方向的瓦斯浓度分布也是不一样的，越靠近底板位置，靠近工作面一侧的采空区瓦斯浓度受漏风影响较大，因此浓度偏小并且向回风侧聚集，越靠近顶板位置处，采空区瓦斯受漏风影响偏大，而且由于地应力影响，岩体破碎的孔隙率偏小，透气性较低，因此浓度偏高，容易积聚在采空区深部的回风巷一侧，尤其是在靠近工作面回风巷一侧的上隅角区域，冒落带顶部，瓦斯局部积聚，瓦斯含量及浓度较高。

2) 不同风速瓦斯浓度影响。

考虑到工作面还需要风排粉尘以及降温，因此对进风巷的风速按《规程》进行合理配风。对工作面风速为2 m/s和3 m/s情况下瓦斯浓度分布进行模拟，见图4和图5.

图4 风速为2 m/s时采空区瓦斯浓度分布图

图5 风速为3 m/s时采空区瓦斯浓度分布图

由图4，5可以看出：在风速一定时，随着采空区深度增加，瓦斯浓度呈曲线式变化，而且在同一标高下，采空区深度越深，瓦斯浓度越高；在采空区相同的位置，风速增大时可以减少工作面瓦斯浓度，但是效果不显著。这是因为虽然风速大可以带走大部分瓦斯，但由于多孔介质的存在，导致采空区的漏风也增大，即从邻近层流入采空区的漏风量增大，再根据流体力学可知，随着采空区深度的增加，沿程阻力增大，导致深部瓦斯排不出去，采空区更多瓦斯在工作面上隅角积聚。因此，从通风角度考虑，风排瓦斯效果并不理想,可以通过采空区瓦斯钻孔抽采等措施进行采空区瓦斯抽采。

3 工程应用

在理论分析、数学计算、数值模拟基础上对某矿进行现场实践分析。该工作面采用“U+I”型通风方式，采用该方式是为了解决回风巷上隅角及支架后局部采空区瓦斯积聚问题。靠近回风侧布置一条内错巷，可以抽采采空区瓦斯，同时在工作面向前推进时，顶板垮落与支架后方连通成为一个整体，抽采面积增大，由于在抽采过程形成负压，上隅角和部分采空区瓦斯流向内错巷，可以满足抽采需求。

该矿在回采期间发现内错巷经常出现坍塌现象，支架后端瓦斯难以抽出，使工作面通风系统紊乱，上隅角瓦斯容易超限。根据模拟结果对不同高度进行钻孔抽采对比。抽放口深入采空区10 m时，不同抽采高度时的抽采效果见图6，抽采管距底板高2 m时，抽放口深入采空区不同位置上隅角瓦斯浓度见图7.

图6 不同抽采高度时的抽采效果图

图7 抽放口深入采空区不同位置时上隅角瓦斯浓度图

由图6可得，距离底板的垂直高度越高，瓦斯浓度越大，这是因为瓦斯密度较空气密度偏低，瓦斯容易上浮。也就是说抽放管路越靠近顶板越好，但由于现场条件受限，无法无限地抬高管路。因此，将抽放管路布置在距离顶板2.6 m附近。

由图7可得，距离采空区越深，瓦斯浓度越大，当深度达到15 m时，上隅角瓦斯浓度仅为1.2%，虽然随着深入采空区距离的继续加大，瓦斯抽采浓度增大，但是上隅角瓦斯浓度也一直在升高，因此，在此区域内上隅角瓦斯治理效果不佳。这是因为抽放管路已深入到过渡带，虽然可抽采出较高浓度瓦斯，但距离上隅角较远，负压较低，对上隅角瓦斯流场作用较小，因此，不能有效解决上隅角瓦斯积聚问题。