采空区瓦斯埋管抽采技术应用与分析

李思阳

（潞安集团漳村煤矿，山西 长治 046032）

0 引言

随着采煤工作面推进，后方顶板垮落而且形成一定范围采空区，工作面风流通过采空区后，在自然压力差作用下，从上隅角进入回风流，采空区内积聚的瓦斯进入回风流和上隅角，当采空区顶板初次来压或者周期性来压时，会造成瓦斯突然涌出，威胁作业人员安全[1]。

1 工程概况

某矿生产规模150万t/a，批准开采平均厚度2.1m、容重1.3t/m3且赋存稳定的8#煤。依据测定得出的瓦斯涌出量报告，该矿绝对瓦斯涌出量56.3m3/min，相对瓦斯涌出量20.2m3/t，属于高瓦斯矿井。8208工作面选用机械化走向长壁采煤工艺，工作面倾向长度180m，垮落法管理采空区顶板，U型独立通风方式，该工作面原煤瓦斯最大含量为6.1m3/t。

分析该工作面的瓦斯涌出情况可知，影响瓦斯涌出的因素主要包括回采工艺、原煤瓦斯含量、工作面回采速度、矿山压力、工作面配风量等。

1）煤层瓦斯含量：煤层中瓦斯含量是指煤体内处于吸附和游离两种状态的瓦斯总和，测定8208工作面的最大瓦斯含量为6.1m3/t。

2）生产工序：当其他条件相同时，不同采煤作业工序对应的瓦斯涌出特征存在差异。现场统计，8208工作面生产班现场实测的最高瓦斯浓度约为检修班该值的1.1倍。

3）周期来压：伴随着回采工作面的不断向前推进，上覆岩层垮落，煤体内产生大量裂隙，邻近煤层及围岩内的瓦斯在风流作用下不断涌入工作面，从而增大了回风顺槽风流中的瓦斯含量。常规开采阶段，瓦斯涌出量随着工作面顶板周期来压呈现周期性增加现象[2]。

4）工作面配风量：8208工作面采用“U”型通风，随着工作面配风量不断增加，运输与回风顺槽两端之间的风力压差不断增大，采空区漏风量增加，采空区遗煤瓦斯及邻近煤层卸压瓦斯进入回风顺槽，瓦斯涌出量增加。

在8208工作面的采空区采用插管抽放，在回风顺槽布置一根Φ377mm的螺旋焊缝钢管负压抽采采空区瓦斯，距正在回采工作面30m左右通过拄制阀连接风筒。但实际抽采出采空区瓦斯的浓度最小2.5%,最大5.8%、平均仅为4.5%,分析主要原因是由于回采过程中存在丢底煤情况，当采空区遗煤量较大时、采空区瓦斯涌出量较大，导致风筒瓦斯浓度升高；二是回采过程中老顶岩梁周期性破断、垮落导致临近层瓦斯涌出至采空区，致使风筒内瓦斯浓度呈“波浪”形分布。

2 采空区瓦斯埋管抽采技术分析

针对8208工作面瓦斯含量高，预抽效果差，且采空区遗煤较多，导致工作面回风流和上隅角瓦斯浓度易超限的情况，现有抽采工艺不能满足实际要求，因此，提出了采空区埋管法抽采瓦斯，采空区瓦斯埋管抽采工艺如图1所示。

图1 采空区瓦斯埋管抽采工艺

1）在回风顺槽布置一根Φ377mm的低负压支管，并在靠近工作面处支管上安装变径将Φ377mm变为一趟Φ273mm的钢丝骨架胶管管路，加设木垛或其他支护方式对埋设的瓦斯抽采管路加以保护，距离底板不低于0.5m[2]。在瓦斯管末端安装铁砂网，防止煤渣掉入瓦斯抽采管路[3]。

2）瓦斯管路每隔9m加设三通和阀门，每隔18m加设蝶阀(可根据具体单根瓦斯管路长度调整三通和蝶阀间距)，连接瓦斯抽放软管（4寸以上）并在上隅角密闭前进行插管抽放，以控制密闭前瓦斯。

3）当工作面推进至三通位置时，拆除密闭前的抽放软管，改由下一个三通连接软管进行密闭前插管抽放，同时打开己拆除软管的三通，拆除阀门，加设铁砂网进行敞开式抽放或安装花管抽放[4]。若加设花管时，三通可竖直安设，不加花管时三通安设时尽量不要垂直向上，应向采面方向倾斜一定角度。当工作面推进至蝶阀位置时，关闭蝶阀，以防瓦斯管路深入采空区内部引发煤层自燃。

4）预埋管路应做到防水、防渣堵塞、防爆和防砸，木垛支护应尽可能密集，同时可保留管路附近的密闭墙，采用敞开式抽放时管口用铁砂网保护。抽采管路上应设置孔板，以便观测所抽采瓦斯的流量、负压及浓度。要求管口负压不低于5kPa，且随时注意回采工作面推进过程中瓦斯管路及上隅角的瓦斯浓度，根据浓度变化及时调节抽采负压。同时需要随时监控管路内及采空区CO的浓度，发现异常时应采取相应的防灭火措施。

3 采空区瓦斯埋管抽采数值模拟分析

FLUENT软件是CFD常用软件之一，具有多重算法、多重精准网格、模型类型多等优点，目前多应用在复杂流体流动和热传导等方面。求解FLUENT的基木程序有前处理、选择物理模型、选择计算模型、求解和后处理等组成。以8208工作面为研究背景建立数值模型，其中X轴为采空区，Y轴是工作面切眼，出口及入口的长宽分别为5m,35m。将后方采空区作为多孔介质渗流区，回采工作面作为气体自由流态区[5]，模型示意图如图2所示，模拟条件参数见表1。

图2 数值模型示意图

表1 数值模拟参数

依据采空区流场的不同特性对采空区流场进行网格划分，网格尺寸为2×2，工作面自由流态网格划分网格为0.5×0.5。模拟得到采空区后方10m处埋管抽采瓦斯的采空区压力等值线和浓度分布如图3所示，采空区后方20m处埋管抽采瓦斯的采空区压力等值线和浓度分布如图4所示。

图3 采空区后侧10m处埋管抽采采空区压力等值线和瓦斯浓度分布

图4 采空区后侧20m处埋管抽采采空区压力等值线和瓦斯浓度分布

分析模拟结果图3，可以得出埋管抽放中瓦斯浓度及流量随工作面不断向前推进不断增加，8208工作面埋管深度应该位十采空区后方10m。分析模拟结果图4，可以得出当采空区埋管深度20m时，瓦斯抽采效果最佳，抽采浓度和流量最大。因此，在采空区10m～20m范围布置抽采管口时上隅角的瓦斯浓度较小。

4 结语

埋管法对抽放采空区上隅角瓦斯具有独特作用，针对8208工作面煤层瓦斯含量高，预抽效果差，且采空区遗煤多，导致回风流和上隅角瓦斯浓度易超限，现有抽采工艺不能满足要求的现状，采用了采空区埋管抽采瓦斯的方法。通过数值模拟得出，采空区埋管深度20m时，瓦斯抽采效果最佳，抽采浓度和流量最大。但是由于距离上隅角的位置较远，对该位置的瓦斯治理效果较差。在采空区10m和20m处布置抽采管口，上隅角瓦斯较小，因此8208工作面埋管深度应为工作面后方10～20m。