高位钻孔与采空区埋管联合抽放技术的数值模拟

朱弘杰

(大同煤矿集团 晋华宫矿，山西 大同 037016)

我国是煤与瓦斯突出灾害较为严重的国家，高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井占国有煤矿总数的56.4%[1]，且我国煤炭总产量的36%产自突出煤层。近年来，随着老矿井浅部煤层开采殆尽，新建工作面逐渐向深部转移，新建矿井也主要集中在深部煤层，煤层中的瓦斯含量、瓦斯压力都相对较高，煤层所受应力相较浅部煤层也大幅度增加[2-3]. 受这些因素的影响，原有的低瓦斯矿井开始向高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井转变，新建矿井从首采煤层开始就面临着高瓦斯、高突出等问题[4]. 因此，瓦斯治理工作迫在眉睫，它不仅关系到煤矿安全生产，还影响矿井实现高产高效。国内外学者对瓦斯治理方法进行了大量的研究，王文清以寸草塔煤矿22301工作面为研究背景，探索了采用通风稀释、防止采空区漏风的技术措施对工作面瓦斯进行有效治理[5]；孙珍平等以塔山矿8214工作面为研究背景，重点分析了采用地面“L”型钻孔治理“远场”瓦斯的技术，并且对比分析了地面“L”型与顶板抽采巷的抽采效果，得出该种抽采方法很好地治理了工作面的瓦斯，保证了工作面的安全生产[6]；张建峰以下沟煤矿为研究背景，采用综合治理技术治理工作面瓦斯，取得了良好的效果[7]. 关于工作面瓦斯抽采技术的研究，以上学者都取得了大量成果，这些成果都是基于工作面瓦斯进行治理，对于采空区内瓦斯采用联合治理的方法还很少，本文以山西某矿8101工作面为研究背景，采用数值模拟的方法模拟分析高位钻孔与上隅角埋管抽采方法治理工作面瓦斯的效果。

1 工作面概况

山西某煤矿开拓方式为立井、斜井多水平混合开拓，矿井正在开采7#、11#煤层，年产量为100万t，目前正在回采8101工作面。8101工作面设计倾向长为140 m，走向长为820 m，开采方式为综合机械化综合开采，煤层平均厚度为2.2～2.6 m，工作面采用两巷布置，其中2101为皮带顺槽，掘宽4.5 m、高3.0 m；5101为回风顺槽，掘宽4.3 m、高3.0 m，巷道支护为锚杆锚索支护，巷道两帮采用金属网护帮，回采期间工作面采用“U”型通风，即2101进风，5101回风，工作面配风1 000 m3/min.

基于分源预测法对该煤矿进行瓦斯涌出量预测，矿井11#煤层最大绝对瓦斯涌出量19.03 m3/min，最大相对瓦斯涌出量8.56 m3/t；工作面的瓦斯涌出量为6.49 m3/min，掘进工作面的瓦斯涌出量为3.33 m3/min，采空区瓦斯涌出量为9.19 m3/min，按照《煤矿安全规程》第133条的规定，该矿11#煤层开采时属于高瓦斯矿井。

2 高位钻孔与采空区埋管抽放效果的数值模拟

高位钻孔与高透气性的采空区裂隙带沟通，不仅可以抽放这部分裂隙带内的瓦斯，同时由于负压抽放方法的使用，加速了采空区内部的瓦斯流动与向裂隙带内的流动。而采空区埋管抽放成本较低且操作简单，配合高位钻孔抽放可以促进抽放效果。根据对高位钻孔抽放系统设计，利用Fluent软件对采空区埋管抽采与高位钻孔抽放采空区瓦斯的效果进行计算机模拟。Fluent软件是基于有限体积的流体力学仿真软件,在瓦斯流动领域的研究中被广泛使用。根据8101回采工作面基本情况，对数值模型进行简化，简化后的数值模型为：工作面走向长度为300 m，倾向长度150 m，进、回风巷的巷宽和巷高均为3 m和4 m，回采工作面的采高为2.15 m，以此建立一进一回的二维数值模型。假定工作面进风量为1 000 m3/min，整个工作面瓦斯涌出量为20 m3/min，其中采空区瓦斯涌出量为10 m3/min，对高位钻孔与采空区埋管配合抽放效果进行数值模拟。

根据现场实际经验，高位钻孔起孔点位于回风巷顶板，终孔点位于垮落带与裂隙带之间，钻孔长度为108 m，孔径为113 mm，封孔长度为8 m，仰角为16°，钻孔距煤层巷帮水平距离为15 mm，垂直高度为30 m，高位钻孔抽采主要是针对上覆裂隙中的瓦斯富集区，截流上覆采空区内的瓦斯进入本工作面。埋管法采用悬管抽放方式，即沿8101工作面5101回风巷向工作面尾部采空区敷设一趟6英寸瓦斯管路，管路伸入采空区40 m，管端距底板1.2 m以上。埋管法主要是抽采本采空区内的瓦斯。

1) 无抽采作用。

无抽采状态下的采空区瓦斯浓度分布云图见图1.

图1 无抽采时采空区瓦斯分布云图

由图1可以看出，采空区深部约150 m以后充满了高浓度瓦斯，位于采空区150 m左右的瓦斯浓度达到70%左右,而在距离工作面200 m以后几乎为100%瓦斯，主要是由于此区域采空区处于重新压实区,受工作面风流影响很小。在无抽采措施状态下,工作面上隅角瓦斯浓度在2%～5%，处于超限状态,严重影响安全生产。

2) 单独使用埋管法抽采作用。

单独使用40 m埋放深度的埋管抽放对采空区瓦斯分布的影响见图2. 由图2可以看出，单独使用埋管抽放可以在一定程度上降低采空区瓦斯，在回风巷往采空区深部40 m左右时，瓦斯浓度出现明显降低趋势，这是由于埋管法抽采在该区域内形成了一个负压区，使该区域内的瓦斯浓度降低，但上隅角区域内瓦斯仍然较高，处于1%～2%，不能满足安全生产的需要。

图2 使用埋管抽放时采空区瓦斯分布云图

3) 单独使用高位钻孔抽采作用。

单独使用高位钻孔抽放对采空区瓦斯分布的影响见图3. 由图3可以看出，单独使用高位钻孔抽放时，其效果比单独使用40 m埋放深度的埋管抽放好，基本可以解决上隅角超限问题。但是考虑到受基本顶来压等因素影响，采空区瓦斯异常涌出的可能性，单独使用高位钻孔抽放仍然有一定的风险。

图3 使用高位钻孔抽放时采空区瓦斯分布云图

4) 高位钻孔与埋管抽放同时作用。

当高位钻孔与40 m采空区埋管抽放配合使用时，采空区瓦斯分布云图与等值线图见图4. 由图4可以看出，当两种方法配合采用时，回风侧的采空区瓦斯浓度明显降低，上隅角瓦斯超限情况得到了控制。

3 结 语

通过采用fluent数值模拟软件模拟分析了无抽采作用、单独使用埋管法、单独使用高位钻孔抽采和这两种方法联合抽采等4种情况下工作面瓦斯抽采效果。研究表明，无抽采作用和单独使用埋管法时工作面瓦斯浓度较高，在1%～2%，不能有效防止工作面瓦斯超限；单独使用高位钻孔抽采时能截流一部分来自采空区的瓦斯涌入工作面，但是也会偶尔出现工作面瓦斯超限现象；只有当高位钻孔与埋管抽放同时作用时，回风侧的采空区瓦斯浓度明显降低，上隅角瓦斯超限情况得到控制。因此，治理8101工作面上隅角瓦斯超限可使用高位钻孔与埋管法联合的抽放技术。

图4 高位钻孔与埋管配合使用采空区瓦斯分布云图