2111采空区瓦斯运移规律探究与防治

张鹏飞

（霍州煤电集团晋北煤业有限公司通风科，山西 霍州 035100）

1 工程背景

近年来，综合机械化放顶采煤法普遍应用于各个煤矿，在神华、充州、潞安、晋城、阳泉等集团都获得了推广与应用，煤矿的产量、采煤效率都获得了迅猛提升，大大减少了煤矿的经济支出，但这种方法冒落高度大，采空区经常会遗落煤块，上隅角瓦斯积聚以及回风巷的瓦斯浓度都会上升，给工作面回采埋下了安全隐患，煤炭自然发火危险性也会随之增大，极易造成瓦斯爆炸，而瓦斯爆炸[1]会生成冲击波，往往会造成不可逆的人员伤亡以及巨大经济损失，而且爆炸会产生大量有毒气体，造成二次危害，瓦斯浓度超标仍然是事故产生的根本原因，而要对其进行治理，普通的抽采方式往往治标不治本，因此本文重点研究采空区瓦斯运移规律，可以为后续的抽采方式提供有效的依据，已知2111工作面运输顺槽进风，回风顺槽回风，整体上为U型通风，在回采时工作面瓦斯检测仪器经常出现超限问题，检测显示上隅角瓦斯浓度达到13.1%，矿方理想方案为Y型通风方式以及瓦斯抽采，但为了确定瓦斯抽采的地带，必须掌握2111工作面后方采空区瓦斯运移规律，并为后续的针对性治理提供依据。

2 瓦斯运移特征分析

2.1 模型建立

矿方为了对2111工作面的瓦斯运移规律以及上隅角瓦斯积聚浓度进行合理性的探究，经过分析后决定采用FLUENT软件，工作面在回采后自然垮落形成采空区，由于自然垮落没有规律性，采空区不可避免的生成间隙，另外采空区内气体受到外界干扰小，可以近似为稳定流动，模型设置采用压入式U型通风，模型俯视图由左至右分别设置为采空区、自然堆积区、载荷影响区、压实稳定区，其中上部为回风巷、下部为进风巷，工作面长度为208m，进回风巷宽度为3m，模型高度为38m，自然堆积区长×宽=208m×20m，载荷影响区长×宽=208m×100m，压实稳定区=长×宽=208m×240m，其中模型主视图上部为采动断裂带，下部为垮落带，边界条件的设定主要考虑进口风速和出口压力，数据以现场实测数据为主，进口风速取2m/s，多孔介质流动选择PRESTO格式（压强）。模拟主视图及俯视图见图1，

图1 U型通风数值模型图

2.2 模拟结果分析

为了对模拟结果有更直观的标识，在建立模型的同时建立了坐标系，坐标原点设置在回风巷与工作面交界处，即上隅角瓦斯积聚处，X轴正方向为上隅角至进风巷方向，Y轴正方向为上隅角沿采空区方向延伸，Z轴正方向为上隅角至煤层顶板向上垂直延伸，建立坐标轴以后对采空区X方向上不同位置处瓦斯浓度做垂直与X轴的切片得到图2，对采空区Y方向上不同位置瓦斯浓度作垂直Y轴的切片得到图3，对采空区Z轴方向上不同高度瓦斯浓度进行模拟后得到曲线图4（由于篇幅所限，这里仅列出Y=300m时Z轴方向上曲线图）。

图2 采空区X方向上瓦斯浓度分布水平截面图

通过观察图2中采空区X方向上瓦斯浓度分布图，从原点方向沿X轴正方向，将图中三幅切片分别定为上部采空区、中部采空区、下部采空区，可以看出图中左侧区域即从坐标原点向进风巷道延伸方向，瓦斯浓度是在下降的，这是因为进风巷风流大，瓦斯浓度相对较低，而且随着新鲜风流从进风巷至回风巷，漏风严重并进一步导致了坐标原点处（上隅角）瓦斯积聚，观察图中中部区域，可以看出上部采空区中自然堆积区、载荷影响区的瓦斯浓度都大于中部采空区以及下部采空区，同样地观察图中右部区域，上、中、下部采空区瓦斯浓度都呈现集中化现象，但上部采空区压实稳定区瓦斯浓度仍高于中、下采空区。

图3 采空区Y方向上瓦斯浓度分布水平截面图

通过观察图3可以看出采空区Y方向上，在图中左侧区域可以看出靠近坐标原点处瓦斯浓度相对较低，沿Y轴正方向向采空区延伸可以看出瓦斯浓度是在逐渐增大的，另外随着Y坐标的不断增大，瓦斯从上部采空区逐渐扩散至中、下采空区，总体呈现出上部采空区瓦斯浓度大于中、下采空区瓦斯浓度，综上所述：采空区与回采面之间距离的增加导致瓦斯浓度呈现递升状态，即瓦斯浓度与二者间距离成正比关系，距离回采面越近，瓦斯浓度越高。

图4 Y=300m处采空区Z轴方向上瓦斯浓度散点图

观察图4散点图可以明显看出随着高度的增加，瓦斯浓度是在递升的，整体速率呈现出由快速增长转至稳定增长，这是因为在回采完成后，采空区直接顶板的垮落导致瓦斯受到挤压，而瓦斯在采空区内是流动状态，能够透过岩石之间裂隙[2]向上浮动，而后续采空区压实以后上覆岩体也趋于稳定，这也就导致了后续瓦斯浓度增长速率变缓。

综上所述：在X方向上，从进风巷至回风巷的途中，随着采空区的逸散以及漏风量的增加，工作面瓦斯浓度是在增加的，尤其集中在上隅角达到了13.5%，而采空区X方向上瓦斯也呈现出了同样的规律，从进风方向到回风方向上，瓦斯浓度逐渐增加但其增加程度是高于工作面的，最大瓦斯浓度出现在压实稳定区内，高达90%；在Y方向上瓦斯浓度与采空区与回采面之间距离成正比关系；在Z方向上瓦斯浓度同样与垮落高度成正比关系，即高度增加，瓦斯浓度增加，速率上呈现出由快至慢并逐渐稳定的状态。

3 瓦斯治理

3.1 通风方式的改变[3]

已知Y型通风相对U型通风方式来说具有上隅角瓦斯浓度小的特点，为此2113工作面可以采用沿空留巷方式对2111工作面的通风方式进行改变，选用较为合理的Y型通风方式即2111工作面运输巷与运料巷两巷进风，2113沿空留巷段回风，其中通风线路图见图5，并适当增大风速，最大不能超过6m/s，由原先的2m/s增大为3.5m/s，但风速增加也会导致漏风增加，不能从根本上解决问题，因此需要对采空区进行瓦斯抽采。

图5 Y型通风方式布置图

3.2 瓦斯抽采[4]

矿方为了对采空区瓦斯的治理方式进行完善，矿方决定对采空区内瓦斯进行抽采，而根据第二节内容可以知道瓦斯多积聚在压实稳定区，而且瓦斯容易向上部逸散，因此矿方采用顶板高位钻孔抽采技术治理采空区，共布置4组钻场，钻机采用ZDY6000LD液压钻机，最大钻探长度为1000m，钻场之间距离为40m，每组钻场设置8个钻孔，各钻孔之间间距为40mm，钻孔直径为94mm，钻孔长度均在120m以上，抽采详细可见图6、图7。

图6 钻场布置平面图

图7 钻孔布置剖面图

3.3 瓦斯治理效果

矿方在实施了高位钻孔抽采技术后，工作面回采期间瓦斯报警器均无出现警示，但为了对瓦斯抽采方案的有效性有更直观的感受，矿方在治理期间对2111工作面不同地点的瓦斯浓度进行了观测，本次观测贯穿整个瓦斯抽采过程，共持续了60天，抽采量达到了并将数据进行整理分析后得到了图8瓦斯浓度曲线图。

图8 瓦斯浓度曲线图

观察图8中三曲线瓦斯浓度峰值为0.6%左右，并且在允许浓度范围之内，表明所采取措施较为有效的解决了2111工作面的现场问题，而且观察三条曲线中工作面瓦斯浓度在抽采后有了明显的降低，整体稳定在0.4%，上隅角瓦斯浓度整体上稳定在0.5%左右，而回风巷瓦斯浓度整体稳定在0.3%～0.4%之间，为煤矿安全提供了保障。

4 结 论

已知2111工作面原先通风方式为压入式U型通风，在工作面回采过程中瓦斯检测仪检测到工作面上隅角瓦斯浓度达到了13.1%，给煤矿安全生产造成了隐患，为了保证工作面的安全回采并有效的降低瓦斯超限的问题，矿方采用Fluent软件对整个回采面建立了模型，数值模拟后得出瓦斯积聚在压实稳定区即回风巷后方采空区，而且瓦斯容易逸散至采空区上部断裂带，为此矿方采用了Y型通风+顶板高位钻孔瓦斯抽采对2111工作面进行了治理，抽采后根据现场实测得出工作面瓦斯浓度稳定在0.4%左右，上隅角瓦斯浓度稳定在0.5%左右，回风巷瓦斯浓度稳定在0.3%～0.4%之间，在瓦斯浓度得到了较为有效的控制，为煤矿生产提供了安全保障。