综放工作面采空区瓦斯高效立体化抽采设计及应用

姜黎明

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013； 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)

高瓦斯矿井回采工作面采空区瓦斯涌出量大，工作面上隅角瓦斯极易超限，针对这一难题，前人通过大量的研究与实践，一部分研究人员[1]采用高抽巷控制采空区瓦斯向工作面涌出，却存在工程量大成本高的缺点，一部分研究人员[2-10]将回采工作面改造为偏Y型、 U+I型、并列双U、Y型等通风方式，尽管有效地解决了采空区上隅角瓦斯超限问题，但同时引发其他众多问题，如采空区沿空留巷维护困难、排瓦斯联络巷瓦斯易超限、采空区漏风量大、通风系统不稳定、采空区易自燃[11]等安全问题，因此，除了上隅角瓦斯易超限这一危险隐患外，U型通风方式的安全性、可靠性、经济性均优于其他通风方式，如果能解决U型通风方式下工作面上隅角瓦斯超限难题，U型通风方式为最佳通风方式。

本文选取晋煤集团成庄煤矿4312综放工作面为研究对象，该矿井为具有代表性的高瓦斯矿井，该工作面瓦斯涌出量预测结果为29.54m3/min，采空区瓦斯涌出约占82%，采空区瓦斯大量涌出为工作面上隅角瓦斯超限问题的重要原因，为解决采空区内高浓度瓦斯漏风流向上隅角区域涌出，采用采空区瓦斯抽采措施可有效降低采空区内气压，使采空区气压最低点由上隅角转移至采空区深部，可抑制采空区漏风流向上隅角方向流动。

成庄煤矿4312综放工作面采用 “两进两回”的U型通风方式，本文通过理论分析、数值模拟、现场效果验证相结合的研究方法，对采取采空区瓦斯高效抽采措施之后能否解决工作面上隅角瓦斯超限难题进行了科学的研究。

1 综放工作面概况

晋煤集团成庄煤矿4312工作面采用走向长壁、后退式综合机械化放顶煤，一次采全高顶板全部垮落采煤法，开采煤层为3#煤层，煤层平均厚度6.55m，综合回采率为93%，其中机采回采率为97%，放顶煤回采率为90%，煤层平均倾角4°。该工作面采用“两进两回” U型通风布置方式，工作面通风阻力约为301Pa，采空区瓦斯涌出为24.22m3/min，其中采空区遗煤瓦斯涌出占17%，采空区临近煤层瓦斯涌出占65%，工作面回采巷道风量见表1。

表1 4312综放工作面回采巷道风量参数

2 采空区瓦斯抽采设计

在43122巷内30#、24#、20#、15#、10#联络巷口布置高位钻孔，每个联络巷口布置四个钻孔，根据采空区裂隙带高度确定高位孔钻孔最佳布置层位为40m。在3#、7#、10#、14#、18#、22#、25#联络巷内施工中位钻孔，每个联络巷布置8个中位钻孔，布置两个层位，其中1#、3#、5#、7#钻孔设计层位为煤层顶板以上20m，2#、4#、6#、8#钻孔设计层位为煤层顶板以上25m。在43122巷内设计施工穿透钻孔，单孔孔深为20m，以穿透切眼为准，开孔间距均为10m。随综采工作面推进，联络巷逐个进入采空区，在进入采空区的密闭联络巷安装采空区瓦斯抽采管路，对采空区内瓦斯混合气体进行大流量抽采，采空区钻孔布置如图1所示。

图1 4312综放工作面采空区钻孔布置示意图

3 采空区瓦斯运移模型建立

3.1 采空区渗流模型

采空区在水平方向上形成自然冒落区、上覆岩层载荷影响区、重新压实区，在竖直方向上形成冒落带、裂隙带、弯曲下沉带。弯曲下沉带内岩层裂隙不发育，无法形成范围的气体运移通道，故采空区瓦斯运移主要集中于冒落带与裂隙带。

根据参考文献可得[9-14]，采空区内碎胀系数与孔隙率存在定量关系，采空区冒落带范围内采空区内各位置空隙率分布符合“O”形圈。采空区裂隙带范围内岩层层位关系未被破坏，大量纵向、横向裂隙发育，该区域可近似为空隙率为常数的多孔介质区域，采空区内各位置空隙率计算公式。

式中，L为综放工作面长度，m；H为采空区冒落带高度，m；x为采空区某一位置距工作面的垂直距离，m；y为采空区某一位置距回风巷巷帮的垂直距离，m；z为采空区某一位置距煤层底板的垂直距离，m；kp.max为采空区自然堆积区内煤壁支撑影响区平均碎胀系数，根据计算取1.5；kp.min为采空区压实稳定区中心位置处碎胀系数，根据计算取1.15；n(x，y，z)为采空区某一位置空隙率，取1。

通过采空区空隙率可计算得到采空区粘性阻力系数与采空区惯性阻力系数，计算公式如(3)。

式中，α(x，y，z)为采空区某一位置渗透阻力系数，m-2；C(x，y，z)为采空区某一位置惯性阻力系数，m-1；DP为采空区垮落岩块平均粒度，m。

采空区内孔隙-裂隙系统发育，相比于煤层内瓦斯流动，采空区内气流速度大，采空区内气体流动属于过渡流甚至湍流，属于高速非线性流，惯性力对渗流过程的影响不可忽略，采空区内渗流用福希海默方程(二项式公式)来描述，见式(4)，在式(4)的基础上可推导出采空区透气性系数公式，如式(5)。

式中，ρf为风流密度，kg/m3；Vi为采空区某一位置某一方向风速，i分别取X，Y，Z三个方向，m/s；U为采空区某一位置风速矢量，m/s；μ为空气动力粘度，取值为17.9×10-6Pa·s；P为气体压力，Pa；Ki为采空区某一位置某一方向透气性系数，i分别取X，Y，Z三个方向，m2/(MPa2·d)。

3.2 采空区瓦斯运移模型

3.2.1 采空区瓦斯运移模型控制方程组

采空区为多孔介质模型，采空区不同区域的气流雷诺数存在明显差异，气体流动过程中存在粘性阻力损失和惯性阻力损失，满足幂定律，这些方程组如式(6)。

式中，CCH4为瓦斯浓度，%；DCH4为扩散系数，m2/s；SCH4为瓦斯源项，m3/ (m3·s)。

3.2.2 采空区瓦斯运移模型边界条件设置

本文主要研究采空区瓦斯涌出对采空区及回采巷道内瓦斯分布规律的影响，采空区边界条件设置见表2。

3.2.3 采空区渗流特性及瓦斯放散源设置

采空区瓦斯涌出源的设置使用UDF宏DEFINE_SOURCE进行自定义设置。采空区的孔隙率分布、采空区粘性阻力系数分布、采空区惯性阻力系数分布、采空区瓦斯源分布使用UDF宏DEFINE_PROFILE进行自定义设置。

表2 采空区边界条件设置

3.2.4 采空区瓦斯运移几何模型

成庄矿4312综放工作面实际布置情况参数见表3。

表3 4312综放工作面及采空区参数

4312综放工作面的回采长度约为2358m，回采期间大部分时间采空区三带处于稳定发育阶段，不同采空区抽采措施下采空区几何模型如图2所示，建模过程中进行了以下处理：①在不影响对采空区瓦斯运移规律研究的前提下，为了节约计算量，建模过程中忽略工作面尾巷(已密闭)、采空区内已密闭联络巷以及支护煤柱；②综放工作面进行了简化，建模过程中忽略几何形状的综采设备(采煤机、支架)，因回采面通风阻力大，因此将综放工作面设为多孔介质，根据工作面两端压差实测值与工作面长计算得到多孔介质粘性阻力系数，近似模拟出实际综采工作面气压分布；③与综放工作面和采空区相比，采空区内抽采钻孔直径尺寸过小，为了突出显示钻孔布置层位以及钻孔长度，几何模型图与模拟结果图中将钻孔部分进行了局部放大处理，以增强显示效果。

4 采空区瓦斯分布数值模拟研究

4.1 单一抽采措施下采空区瓦斯分布

对未采取抽采措施条件下采空区瓦斯涌出情况进行模拟，分别对采取单一采空区抽采措施条件下采空区瓦斯涌出情况进行模拟，通过模拟结果优选抽采效果显著的抽采措施，建立采空区综合立体化抽采体系，并对该采空区综合立体化抽采体系下采空区瓦斯涌出情况进行模拟，对其瓦斯抽采效果进行了数值模拟。

不同抽采措施条件下4312综放工作面Z=2m平面内采空区内风速分布情况如图3所示，由图3可得抽采措施作用下采空区内风速越大，抽采措施的使用一定程度上改变了采空区局部区域风速场，特别上隅角区域风流场，使得上隅角区域难以聚集大量采空区污风流。

图2 不同采空区抽采措施下4312综放工作面采空区几何模型图

不同抽采措施条件下4312综放工作面Z=2m平面内采空区内瓦斯分布情况如图4所示，由图4可得：采取措施条件下采空区瓦斯浓度明显小于未采取措施，采空区抽采措施在抽采采空区瓦斯的同时会改变采空区内瓦斯的存储分布情况，采空区抽采措施将采空区内瓦斯滞留于远离综采工作面的采空区深部；高位钻孔措施与采空区联络巷埋管措施的瓦斯抽采效果明显优于底板拦截钻孔、穿透钻孔、中位钻孔措施下。

4.2 高效立体化抽采措施下采空区瓦斯分布

4312综放工作面选择采用高位钻孔措施与采空区联络巷埋管措施，建立4312综放工作面采空区综合立体化抽采体系，对“高位钻孔+采空区联络巷埋管”立体化抽采措施下4312综放工作面采空区风速与瓦斯浓度分布情况进行了数值模拟研究，几何模型与模拟结果如图5所示。

图3 不同抽采措施条件下4312综放工作面Z=2m平面内风速分布对比情况

图4 不同抽采措施条件下4312综放工作面Z=2m平面内瓦斯分布对比情况

图5 “高位钻孔+采空区联络巷埋管”立体化措施下4312综放工作面采空区几何模型与模拟结果

不同抽采措施下4312综放工作面回采巷道瓦斯浓度对比情况见表4。

表4 不同采空区抽采措施下4312综放工作面回采巷道瓦斯浓度情况对比

由表4可得，4312综放工作面上隅角处瓦斯浓度最大值达到1.64%，43122回风巷内平均瓦斯浓度达到0.88%，43124回风巷内平均瓦斯浓度达到0.82%，无法满足《煤矿安全规程》中回采巷道瓦斯浓度要求，采取“高位钻孔+采空区联络巷埋管”立体化抽采措施后，4312综放工作面上隅角处瓦斯浓度最大值降低至0.49%，43122回风巷内平均瓦斯浓度降低至0.17%，43124回风巷内平均瓦斯浓度降低至0.35%，满足《煤矿安全规程》中回采巷道瓦斯浓度要求。

5 现场应用效果分析

根据模拟结果提出的“高位钻孔+采空区联络巷埋管”采空区瓦斯立体化高效抽采措施，在成庄4312综放工作面进行了现场验证，根据实际监测结果得出：4312综采工作面上隅角最大瓦斯浓度在0.45%左右，平均瓦斯浓度为0.35%左右；43124巷最大瓦斯浓度在0.50%左右，平均瓦斯浓度为0.38%左右；43122巷最大瓦斯浓度在0.20%左右，平均瓦斯浓度为0.14%左右，采用采空区瓦斯立体化高效抽采措施实现了高瓦斯矿井综采工作面U型通风方式改造。

6 结 论

1)根据现场资料建立4312综放工作面采空区高位钻孔、中位钻孔、穿透钻孔、采空区联络巷埋管四种采空区瓦斯抽采措施的数值计算模型，根据模拟结果建立了4312综放工作面采空区“高位钻孔+采空区联络巷埋管”立体化瓦斯抽采措施体系。

2)根据采空区“高位钻孔+采空区联络巷埋管”瓦斯立体化抽采数值计算模型的模拟结果可得，工作面上隅角处瓦斯浓度最大值降低至0.42%，43122回风巷内平均瓦斯浓度降低至0.17%，43124回风巷内平均瓦斯浓度降低至0.35%，模拟结果表明采空区瓦斯立体化高效抽采措施可有效解决上隅角瓦斯超限难题。

3)成庄矿4312综放工作面现场采取“高位钻孔+采空区联络巷埋管”采空区瓦斯立体化高效抽采措施，工作面上隅角瓦斯浓度处于0.30%～0.45%之间，43122巷平均瓦斯浓度约为0.14%，43124巷平均瓦斯浓度约为0.38%。现场应用效果验证了数值模拟的计算结果，研究表明：采空区瓦斯立体化高效抽采措施能够治理高瓦斯矿井回采工作面U型通风方式下上隅角瓦斯超限难题。