新集一矿综放工作面瓦斯高抽巷技术*

赵 林，者 倩，邹 治，李佳妮，魏世龙，孟丽萍

(1.内蒙古平庄能源股份有限公司，内蒙古 赤峰 024076；2.湖南工学院安全与环境学院，湖南 衡阳 421002)

0 引言

综放工作面的瓦斯来源一般包括，新暴露煤壁瓦斯的涌出，采落煤炭的瓦斯涌出，采空区向工作面通风空间的涌出等，影响瓦斯涌出因素诸多，如煤阶、地质构造、含量、开采顺序与速度、采煤方法及工作面布置、顶底板特征及其受采动影响的规律、通风方式与风量以及瓦斯抽采方式等[1-4]，瓦斯抽采时有效降低回风及隅角瓦斯积聚的有效方法。瓦斯抽采技术可以有效降低工作面瓦斯积聚危险，保障工作面安全顺利回采，常见的瓦斯抽采技术有预先抽采、钻孔抽采、埋管抽采、卸压抽采、高抽巷抽采及其联合抽采等，而高抽巷抽采由于具有大范围高效抽采等优点经常在瓦斯涌出量较大的工作面使用，可以有效降低工作面上隅角及回风瓦斯浓度[5]。高抽巷抽采时抽采流场与进风流场可能共同导致遗煤自燃加剧[6]。杜瀚林等[7]采用FLUENT数值模拟方法构建三维模型对高抽巷瓦斯抽采进行研究，指出高抽巷抽采负压增加，回风瓦斯浓度降低，但持续增加抽采负压或流量对降低回风瓦斯浓度无显著意义。马恒等[8]采用类似数值模拟方法研究指出高抽巷抽采层位显著影响抽采效率，周西华[9]、徐永佳[10]、靳晓华[11]等研究了高抽巷与回风平巷距离、与煤层顶板距离等对抽采效果的影响规律，经过现场对比分析显示采用数值模拟方法可为高抽巷的最佳工艺提供理论支持。因此，文中基于新集一矿131303综放工作面开采实际，结合理论分析，为确保该工作面安全回采，拟采用数值仿真技术对工作面回采过程中高抽巷的抽采流量、与回风平巷距离、与顶板距离等对瓦斯抽采效果的影响，以及抽采条件下回风瓦斯随时间的变化规律，确定工作面回采过程中合理的高抽巷工艺参数，保障工作面安全回采。

1 工作面概况与数值仿真模型

1.1 工作面概况

新集一矿131303综放工作面斜长156 m，日均推进度3.4 m，煤层平均全层厚度7.2 m，工作面回采煤层厚度为2.5 m，采放比为1∶1.88，采用U型通风方式，煤层最大残余瓦斯含量2.8～3.648 9 m3/t，绝对瓦斯涌出量为14.16 m3/min。当工作面绝对瓦斯涌出量5 m3/min≤Q≤10 m3/min，工作面抽采率必须大于或等于20%，因此该工作面必须实施高效瓦斯抽采。

1.2 高抽巷瓦斯抽采数值仿真模型

1.2.1 多场耦合

为分析新集一矿131303综采工作面的高抽巷瓦斯抽采效果及确定合理的技术参数，依据多场耦合理论，耦合风压、风速、温度、浓度等多因素，实现工作面及采空区流场、浓度场、温度场等多场的有效耦合，采用COMSOL数值仿真软件建立耦合自由与多孔介质流体流动、物质与流体物质传递、多孔介质与流体传热等物理化学场的采空区瓦斯涌出的仿真模型。

1.2.2 几何模型

根据煤矿的地质条件，通过经验公式法得出工作面采空区的“三带”高度。工作面煤层顶板以泥岩为主，平均煤厚7.2 m，按照中硬岩层来进行计算，选用硬岩层的经验公式计算冒落带和裂隙带高度。经计算得出采空区上覆岩层冒落带高度为11.43～15.83 m，工作面纵向裂隙带高度为42.02～53.22 m，弯曲下沉带在裂隙带以上。

根据冒落带与裂隙带高度计算结果，数值仿真过程中取冒落带高度为12 m，裂隙带高度为48 m，模型纵向高度为60 m，按照该工作面实际，工作面倾斜长度为156 m，为节省计算量和考虑采空区深度与工作面斜长对开采后采空区应力分布的影响，取采空区深度大于工作面斜长，文中取采空区深度(走向长度)为200 m，模拟中简化设置高抽巷为3 m×3 m的正方形断面，如图1所示。

图1 高抽巷抽采几何模型

2 数值仿真结果分析

2.1 高抽巷抽采流量对瓦斯抽采效果的影响

高抽巷距离回风20 m、距离煤层顶板20 m条件下，流量增加采空区瓦斯流动加快，且向高抽巷周围流动密集。抽采流量较低时采空区较大范围内瓦斯基本未受扰动或扰动较小，瓦斯残余与初始阶段基本一致，当高抽巷抽采流量较大时，采空区大范围瓦斯受到扰动大，大范围内瓦斯浓度降低显著，残余瓦斯含量较低。

图2为高抽巷距离回风20 m、距离煤层顶板20 m条件下，高抽巷不同抽采流量条件下抽采浓度和抽采纯度变化，图中显示抽采流量有25 m3/min、50 m3/min、75 m3/min、100 m3/min、125 m3/min，抽采浓度分别为：22.32%，26.06%，23.46%，14.47%，12.61%；抽采纯量分别为：5.58 m3/min、13.03 m3/min、17.59 m3/min、14.47 m3/min、15.77 m3/min。说明抽采流量50 m3/min时，高抽巷抽采的瓦斯浓度26.06%为最大，但最大抽采纯量出现在抽采流量75 m3/min时。

图2 高抽巷中抽采浓度及纯量

图3、图4分别为高抽巷距离回风20 m、距离煤层顶板20 m条件下，抽采流量25 m3/min、50 m3/min、75 m3/min、100 m3/min、125 m3/min时风排瓦斯量及回风中平均瓦斯浓度随时间变化。图3显示随抽采时间延续风排瓦斯量即采空区涌出瓦斯量随抽采时间延续逐渐降低，且随流量增加涌出量逐渐降低，这与抽采流量75 m3/min时纯量最大稍有出入，其主要原因是随抽采流量增加，不但抽采纯量基本增加，而且会导致采空区漏风显著增加，涌出量必定增加。图4显示，随高抽巷抽采流量增加回风中瓦斯浓度显著降低，抽采流量25 m3/min、50 m3/min、75 m3/min、100 m3/min、125 m3/min抽采50 d后回风中瓦斯浓度分别为0.48%、0.41%、0.32%、0.17%、0.13%，说明高抽巷抽采瓦斯是为了高效抽采和控制抽采诱导大范围漏风现象，必须要适当控制高抽巷的合理使用时期。

图3 风排瓦斯量

图4 回风瓦斯平均浓度

2.2 高抽巷位置对瓦斯抽采效果的影响

图5为抽采流量50 m3/min，高抽巷距离回风15 m、20 m、25 m、30 m，距离煤层顶板20 m时，采空区瓦斯流线，高抽巷距离工作面回风越近流线越密集，瓦斯流动越强烈，抽采效果越好。图5显示，高抽巷距离回风15 m、20 m、25 m、30m时回风排放瓦斯流量4.32 m3/min、5.86 m3/min、7.48 m3/min、9.92 m3/min，浓度为0.30%、0.41%、0.52%、0.69%。高抽巷距离回风越近，风排瓦斯量越低，抽采流量越大，回风瓦斯浓度越低，其主要原因在于越靠近回风侧布置高抽巷越有利于瓦斯抽采，因为该设置有利于漏风流场携带的瓦斯被回风侧的高抽巷所吸收和抽采。

图5 高抽巷距离工作面回风不同距离时瓦斯排放量与回风瓦斯浓度

图6同样显示随抽采时间延续，回风巷风排瓦斯量逐渐降低，且越靠近回风侧风排瓦斯量越低，说明抽采量越大，回风瓦斯浓度越低，越有利于工作面瓦斯治理。

图6 高抽巷与回风不同距离风排瓦斯量及浓度

图7为高抽巷距离煤层顶板不同高度时风排瓦斯量及回风平均瓦斯浓度，图中显示高抽巷与顶板距离越小风排瓦斯量越低，即抽采瓦斯量越大，抽采效果越好；同时，高抽巷距离煤层顶板越近，回风瓦斯浓度越低。

图7 高抽巷与顶板不同距离下风排瓦斯量及回风瓦斯平均浓度

综上所述，结合该工作面安全生产实际，宜将回风瓦斯浓度控制在0.5%以下，因此，确定高抽巷与回风平巷的距离宜为15～20 m，与顶板的距离宜为15～20 m。

2.3 工作面瓦斯治理技术及效果分析

2.3.1 高位瓦斯抽采巷联合埋管抽采技术

13-1煤层开采后，根据开采实际结合数值模拟结果，确定高位瓦斯抽排巷的合理位置为：距离风巷平距20 m，距离煤层顶板距离20 m，如图8所示，设计抽采混合量50 m3/min，抽采瓦斯浓度20%以上，抽采瓦斯量10 m3/min。设计断面为9.41～8.84 m2，总工程量1 271.8 m，支护方式为锚网索/木棚。巷道口砌筑双层封闭墙，双层封闭之间距离大于500 mm，并注浆充填。

1-采空区顶板环形裂隙区；2-裂隙带内坚向裂隙发育区

同时在131303工作面上隅角充填垛上至少埋1路φ325 mm的抽排管(里端0.5 m为花管)，进气口位于上隅角充填垛内5～10 m，混合流量控制在10 m3/min。回采过程中必须加强上、下隅角的管理，上隅角要提前收一棚并减少向采空区漏风。同时，要定期观测采空区内的CO情况，定期取样化验，防止煤炭自燃。

2.3.2 工作面瓦斯治理效果分析

埋管抽采瓦斯分析：埋管抽采主要抽采煤体和上隅角瓦斯，根据抽采管路内瓦斯浓度、纯量统计，131303抽采管路内抽采瓦斯浓度1.35%～3.03%、抽采纯量0.15～3.25 m3/min，平均0.71 m3/min，瓦斯抽采量总体比较稳定。

高抽巷瓦斯抽采分析：高抽巷主要抽采采空区瓦斯，根据高抽巷的抽采量统计，131303高抽巷内抽采瓦斯浓度3.02%～15.33%、抽采纯量3～8.98 m3/min，平均4.89 m3/min，最大抽采瓦斯浓度达到15.33%，最大抽采纯量达到8.98 m3/min，高抽巷抽采效果较好。

回风巷风排瓦斯量分析：根据回风巷风排瓦斯浓度、纯量统计，131303回风巷内瓦斯浓度0.14%～0.34%、风排瓦斯纯量2.19～5.48 m3/min，平均3.36 m3/min，风排瓦斯浓度、纯量总体呈下降趋势。

工作面瓦斯涌出量分析：根据工作面绝对瓦斯涌出量统计，工作面绝对瓦斯涌出量4.24～13.18 m3/min，平均8.75 m3/min。

综上所述，工作面瓦斯抽采率为60.46%～66%，高抽巷抽采瓦斯量是埋管抽采瓦斯量的11.78倍，是风排瓦斯量的1.84倍，说明高抽巷抽采瓦斯效果较好，风排瓦斯效果次之。综上所述，高抽巷在抽采瓦斯过程中作用明显，表明高抽巷位置设计合理，回采过程中工作面上隅角及回风流中未出现瓦斯超限问题，也说明工作面配风合理。

3 结论

(1)高抽巷抽采流量增加，抽采浓度先增加后降低，抽采浓度最大的流量为50 m3/min，抽采瓦斯纯量最大为75 m3/min；高抽巷与回风越近瓦斯抽采流量越大，距离顶板越远，抽采效果越差，回风瓦斯浓度越大。确定抽采流量50～75 m3/min，高抽巷距离回风15～20 m，距离煤层顶板15～20 m。

(2)工作面回采期间绝对瓦斯涌出量4.24～13.18 m3/min，埋管抽采纯量0.15～3.25 m3/min，高抽巷抽采纯量3～8.98 m3/min，风排瓦斯纯量2.19～5.48 m3/min，工作面瓦斯抽采率在60%以上，高抽巷抽采纯量是埋管抽采和风排瓦斯的11.78、1.84倍，回采过程中未出现瓦斯超限现象，高抽巷抽采效果显著。