高瓦斯突出煤层工作面采空区瓦斯防治技术研究

王 沉，杨 帅，江成玉，薛 博，刘 琼

(贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025)

瓦斯灾害是制约煤矿安全生产的主要灾害之一，矿井瓦斯安全事故常常造成重大人员伤亡与经济损失[1]。据不完全统计，高瓦斯工作面回采过程中，采空区瓦斯涌出量约占工作面瓦斯涌出量的50%～60%[2-3]，采空区瓦斯治理属于工作面瓦斯治理的关键组成部分[4]。在采空区瓦斯治理方面，秦伟等[5]在辨别采空区瓦斯来源的基础上，对采空区瓦斯抽采钻孔进行了合理布置；胡胜勇等[6]揭示了采空区瓦斯运移特征，为采空区瓦斯治理提供了理论依据；丁厚成等[7-8]通过现场实验、数值模拟及理论分析等方法确定了瓦斯高抽巷的最佳布置方案。工程实践表明，掌握采空区瓦斯运移规律、合理选择瓦斯抽放技术是采空区瓦斯灾害防治的关键[9-10]。

本文以安徽神源煤化工有限公司邹庄矿3204工作面为研究背景，通过数值模拟、现场实测及理论分析等方法，揭示高瓦斯突出煤层工作面采空区瓦斯运移特征，提出适宜该工作面采空区瓦斯治理的技术措施，为类似条件采空区瓦斯治理提供依据和借鉴。

1 工程概况

安徽神源煤化工有限公司邹庄矿按照煤与瓦斯突出矿井设计，设计生产能力为240万t/a，矿井服务年限为50.3 a。3204工作面为邹庄矿首采工作面，工作面倾斜长度225 m，主采32煤层，煤层厚度2.5～3.6 m，平均3.3 m，原始煤层瓦斯压力为2.3 MPa，瓦斯含量为11.1 m3/t，为典型的高瓦斯突出煤层工作面。3204工作面推进过程中，采空区瓦斯涌出来源主要包括采空区遗煤及围岩涌出，采空区内的瓦斯分布特征与瓦斯扩散运动及风流作用有关。

2 采空区瓦斯运移规律的数值模拟

3204工作面采空区瓦斯流动主要考虑瓦斯中的CH4组分以及空气中的O2组分，不考虑采空区空间尺寸的动态变化，而是将某一回采时期进尺较大的采空区作为研究对象，采空区内部瓦斯含量较高，而且不断产生，采空区外部空气和瓦斯通过漏风流入采空区，采空区的部分瓦斯则通过漏风口或采空区埋管流出采空区。数值模拟过程中，不考虑工作面回采引起的顶底板裂隙，瓦斯和空气等气体的流动空间为采空区、工作面和回采巷道。鉴于以上瓦斯流动条件，利用Fluent模拟采空区瓦斯运移规律，归结为三维的多孔介质流动问题。为简化问题，本研究对采空区瓦斯流动模型作了如下规定和假设：

(1)瓦斯流动符合渗流规律，瓦斯混合气体为不可压缩的理想流体；

(2)不考虑工作面液压支架等设备的影响；

(3)工作面及采空区煤岩体为非均匀多孔介质，煤岩体渗透系数是空间的函数，与时间无关。

2.1 数值模拟方案

3204工作面原始煤层瓦斯压力为2.3 MPa，瓦斯含量为11.1 m3/t，实测煤层残余瓦斯含量最大为4.35 m3/t，工作面瓦斯涌出不均衡系数为1.6。进风口风速为

其中：v为进风口风速，m/s；Q为运输巷进风量，根据工作面实际情况，取1916 m3/min；S为运输巷断面积，14.4 m2。代入得进风口风速为2.2 m/s，模型进风口边界条件设为2.2 m/s。

工作面CFD模型基本参数及边界条件，见表1。工作面CFD模型几何特征的立体图如图1所示。

表1 CFD模型基本参数及边界条件Tab.1 Basic parameters and boundary conditions of CFD model

图1 CFD模型几何特征Fig.1 Geometric features of CFD model

2.2 模拟结果与分析

数值模拟分析了回风巷上隅角有无埋管抽采瓦斯条件下工作面及采空区瓦斯分布规律，并利用专业后处理软件Tecplot后处理Fluent模拟计算结果。

(1)绘制采空区有无埋管抽采瓦斯条件下采空区空间内瓦斯质量分数分布，如图2所示。

图2 采空区CH4质量分数分布Fig.2 Distribution of CH4 mass fraction in Gob

由图2可知：“U”型通风条件下，采空区瓦斯质量分数沿采空区深度和工作面长度方向逐渐增加，在采空区最深处及工作面上隅角处分别达到最大值；埋管条件下采空区深处瓦斯浓度重新分布，峰值影响范围明显降低，同时扩大了工作面附近采空区瓦斯低值区域，降低了工作面及回风巷的瓦斯浓度。

(2)绘制采空区有无埋管抽采瓦斯条件下不同切面瓦斯质量分数分布，如图3所示。

①竖直方向上瓦斯分布

由图3(a)、(b)、(c)可以看出：竖直方向上，随着高度的增加，采空区瓦斯质量分数峰值的影响范围逐渐升高；

图3 不同切面的CH4质量分数分布Fig.3 CH4 mass fraction distribution of different surfaces

②走向瓦斯分布

③倾向瓦斯分布

由图3(e)可以看出：在倾向方向上，工作面上隅角是采空区向工作面的集中漏风处，采空区瓦斯质量分数在上隅角处最大；

④有无埋管条件下瓦斯分布

由图3中有无埋管条件下瓦斯质量分数分布可以看出：与采空区无埋管条件相比，采空区埋管降低了采空区瓦斯浓度及深部瓦斯浓度峰值的影响范围。

(3)绘制采空区有无埋管抽采瓦斯条件下上隅角附近瓦斯质量分数分布，如图4所示。

图4 上隅角局部放大CH4质量分数分布Fig.4 Distribution of CH4 mass fraction in local magnification of upper corner

由图4上隅角瓦斯分布可以看出：上隅角为采空区向工作面的集中漏风处，采空区埋管的存在增加了瓦斯流动的通道，分流了采空区及工作面涌出的部分瓦斯，进而降低了上隅角及回风巷瓦斯浓度，采空区埋管对上隅角瓦斯治理起到积极意义[11-12]。

根据气体流速的大小，可以把采空区空间划分为湍流区、层流区和静止区3个风流运动区域，在走向上，从切顶线往采空区深部瓦斯浓度逐渐变大；在竖向上，从底板往顶部裂隙带瓦斯浓度逐渐变大；在倾向上，由于漏风的存在，瓦斯浓度分布不对称，分布规律较为复杂。从采空区立体空间上看，瓦斯在采空区内形成浓度等值曲面梯度。

采空区的瓦斯流动，主要受到浓度梯度作用导致的扩散运动、密度差导致的升浮运动和漏风风流运动等作用。在走向和倾向上，主要受到漏风风流运动和扩散运动的作用，而在垂直方向上，则主要受到扩散和升浮的作用。

设计结构主要为木构架，其中又分为抬梁、穿斗、井干三种不同的结构方式。抬梁式是在立柱上架梁，梁上又抬梁，所以称为“抬梁式”。寺庙等大体量建筑物中常采用这种结构方式。穿斗式是用穿枋把一排排的柱子穿连起来成为排架，然后用枋联接而成，故称作穿斗式。多用于日常民居和规模较小的建筑物。井干式是用木材交叉堆叠而成的，因其所围成的空间似井而得名。

3 采空区瓦斯治理方案

根据数值模拟结果，提出采空区埋管的采空区瓦斯治理方案，并辅助以工作面高位钻场抽采采空区瓦斯来治理采空区瓦斯超限。

3.1 采空区埋管

采空区埋管把大直径钢管敷设在工作面回风巷，吸气口选择为具有组合阀门的三通管件，管路每隔一定距离进行串接。随着工作面不断前移，吸气口进入采空区最佳的抽采位置，打开组合阀门抽采瓦斯，如图5所示。

图5 采空区埋管抽采示意图Fig.5 Schematic drawing of buried pipe in Goaf

3204工作面回风巷上隅角敷设一趟10寸瓦斯管路，管路伸入采空区20～40 m，管端距底板1200 mm以上，末端为“丁”字型，一端沿工作面走向朝采空区侧，一端朝工作面倾向，用木垛进行保护。回采中每20 m提前预埋管路，迈步交替前进，保证老塘内埋管在20～40 m。

3.2 瓦斯高位钻场

高位钻场瓦斯抽采方案作为采空区瓦斯治理的辅助措施。高位钻场钻孔主要分布在垮落带岩层中，用于解决采空区垮落带瓦斯涌出问题。从切眼处沿工作面风巷向外80 m施工第一个高位钻场，其余钻场从第一个高位钻场处向外每隔100 m施工一个高位钻场。钻场变平位置在32煤层顶板，钻场平均施工15个钻孔，孔深110 m左右，终孔位置在煤层顶板上10～16 m，平面位置在风巷向下50 m左右。孔径均为113 mm，封孔管不小于3寸，封孔距离不小于6 m。高位钻场钻孔设计如图6所示。

图6 高位钻场钻孔布置Fig.6 Drilling layout of high level drilling field

根据现场钻孔设计，利用UDEC数值模拟软件分析高位钻场附近岩层裂隙发育情况，如图7所示。

图7 数值模拟结果Fig.7 Results of numerical simulation

由图7模拟结果可以看出沿工作面倾向方向，回风巷靠近工作面侧围岩竖向裂隙比较发育，高位钻场钻孔位于竖向裂隙发育区，采空区瓦斯能够通过竖向裂隙进入高位钻场钻孔达到抽采要求。

4 工业性试验

4.1 采空区埋管实测

工作面自回采初期，利用瓦斯监测仪对工作面上隅角瓦斯进行实时监测，将九个测点按每400 mm分别布置在支架后方，选取上隅角涡流处1#测点的数据做分析，1#测点的治理效果可以很好地验证采空区瓦斯的治理效果，实测数据如图8所示。

图8 1#测点瓦斯浓度记录数据Fig.8 Gas concentration recording data of 1# measurement point

由图8可知，瓦斯浓度的大幅度减少发生在3月19日采空区埋管后。经过采空区埋管前后比对，采空区埋管后采空区瓦斯含量平均值降低了4.27%，降低幅度达到了45.57%。安装埋管后，采空区瓦斯没有再发生超限。

4.2 高位钻场抽采效果

自布置高位钻场之日起，现场实测3204工作面回风巷1#，2#及3#高位钻场瓦斯抽采钻孔瓦斯浓度，每个钻场打钻孔15个，记录各个钻孔的瓦斯抽采浓度值，选用2#钻场的钻孔抽采瓦斯数据作统计图，见图9所示。

图9 2#钻场各钻孔瓦斯抽采数据图Fig.9 Data drawing of gas extraction from drill hole in 2# drilling field

根据图示，可以看到钻孔中绝大部分钻孔抽出了瓦斯，且瓦斯抽采值比较理想。因此，高位钻场的布置比较合理，对于采空区瓦斯治理起到了作用，很好地辅助了采空区埋管的瓦斯治理措施。

5 结论

(1)通过Fluent数值模拟分析了3204工作面及采空区瓦斯三维分布及瓦斯流动特征，得到：“U”型通风条件下，采空区瓦斯质量分数沿采空区深度方向逐渐增加，在采空区最深处及工作面上隅角处分别达到最大值。

(2)与采空区无埋管条件下瓦斯质量分数的分布相比，埋管条件下采空区深处瓦斯浓度重新分布，峰值影响范围明显降低，同时扩大了工作面附近采空区瓦斯低值区域，降低了工作面及回风巷处的瓦斯浓度，采空区埋管对于治理采空区及上隅角瓦斯浓度超限具有积极意义。

(3)采空区埋管瓦斯抽采技术可以使采空区瓦斯浓度下降4.27%，降低程度为45.57%，效果比较显著。高位钻场抽采方案达到了抽采效果，降低了瓦斯浓度。

(4)实测了工作面回采期间采空区瓦斯浓度、回采期间上隅角瓦斯浓度、高位钻场瓦斯抽采钻孔瓦斯浓度，综合分析了瓦斯治理效果。得出以采空区埋管为主，高位钻场抽采为辅的采空区瓦斯治理技术方案，并为以后瓦斯治理工作提供借鉴。