不同抽采条件和配风条件下工作面瓦斯浓度分布研究

2022-07-08任晋娟

煤 2022年7期

任晋娟

(山西高河能源有限公司，山西长治 047100)

我国能源储量丰富，但覆存不均，整体呈现出多煤、少油、贫气的特点。煤炭作为我国重要的能源形式，对我国国民生产生活影响巨大。在煤矿开采过程中，由于我国煤矿综放面多为U型通风[1-2]，使得采煤工作面的上隅角位置处于风流的拐点，造成风流流速较低，易形成一定范围的风流涡流区。同时考虑到瓦斯的升浮特性，当采空区出现漏风现象时会在上隅角位置形成瓦斯聚集[3-5]。上隅角瓦斯聚集的问题一直困扰着矿井正常开采，对其治理方法的研究也从未停止。本文对抽采条件下采空区漏风对上隅角瓦斯积聚的影响进行研究[6-9]，为煤矿上隅角瓦斯超限治理提供一定的参考，为矿井安全生产提供一定的保障。

1 现场监测

采空区的漏风按照其形式可分为内部漏风和外部漏风，内部漏风主要是采空区煤柱、底巷、岩层等存在裂隙而造成，外部漏风又可分为矿井间及井口漏风。出现漏风现象的主要原因是在采空区的两侧存在一定风压差导致风流的运移，所以采空区漏风量的大小与其两侧风压差有着密切的联系。巷道岩层存在贯通裂隙同样也会造成采空区的漏风。为了研究漏风对上隅角瓦斯积聚的影响，首先要对漏风进行定位。由于采空区较为复杂，所以本文采用间接测量法进行分析。通过对工作面风量分布进行分析从而定位漏风位置。在工作面布置11个测点，采用断面单元法进行测量，工作面测点布置示意如图1所示。

图1 工作面测点布置示意

在选定测点后，通过表尺对测点的断面积进行测量，同时利用风表得出各测点的风速，最终得出风量的分布情况，测取间隔为1 h，根据测点风量绘制工作面风量分布曲线如图2所示。

图2 工作面风量分布曲线

由图2可以看出，随着工作面倾向长度的不断增加，风流在各测点的风量呈现出先减小后增大的趋势。在工作面倾向长度为73 m时，风量最小，为1 278 m3/min。根据对各测点间的相互差值可知，在未抽采时工作面进风侧0～ 30 m及回风侧110～145 m区段内风量变化较大，所以可以得出，此段为工作面漏风主要流动区域。工作面进风侧至倾向长度73 m的区域为工作面风量漏入采空区范围，在此范围内的漏风量约为150 m3/min，相应的，从工作面倾向73 m至回风侧则为采空区风流流入工作面区域，风量为153 m3/min，可以看出采空区漏风来源不止工作面一处，存在外部漏风。

对工作面进行高位钻孔抽采瓦斯，高位钻场布置在回风巷位置，根据地质资料可知，工作面的垮落带、裂隙带高度分别为7～9 m、29～31 m，所以经过计算将高位钻孔的倾角设定为10～18°，钻孔深度选定为95 m，终孔点距离顶板及回风巷钻场距离分别为15～25 m、5～20 m。对抽采流量95 m3/min、123 m3/min、159 m3/min、171 m3/min四种情况下的上隅角瓦斯浓度进行监测，绘制上隅角瓦斯浓度变化如图3所示。

图3 上隅角瓦斯浓度变化图

由图3可知，当设定的抽采流量为95 m3/min时，上隅角的瓦斯浓度在0.26%～0.45%之间波动，整个波动过程中出现3次瓦斯浓度异常情况，3次瓦斯浓度异常下瓦斯浓度分别升高至0.89%、0.78%、0.84%；对比抽采流量123 m3/min 时，上隅角瓦斯浓度在 0.26%～0.39%范围内波动，异常出现2次，2次异常时的瓦斯浓度分别为 0.65%，0.78%；继续增大抽采流量至159 m3/min时，瓦斯浓度在0.27%～0.35%间稳定波动，在此抽采量下，上隅角的瓦斯浓度无异常现象出现；抽采流量171 m3/min时，瓦斯浓度变化趋势与抽采流量159 m3/min时相差不大，瓦斯浓度在 0.27%～0.35%之间波动。根据以上分析可以得出，随着抽采流量的不断提高，上隅角瓦斯含量降低，同时上隅角瓦斯异常升高问题能够得到有效治理。同时可知，当抽采流量大于159 m3/min时，上隅角瓦斯治理效果相差较小，所以最佳的瓦斯抽采流量为159 m3/min。

2 数值模拟研究

为了进一步分析不同抽采条件下瓦斯浓度分布情况，利用fluent模拟软件对其进行分析，对不同抽采能力系数下瓦斯浓度分布情况进行模拟，首先进行模型的建立。工作面采用U型通风系统，工作面长×宽×高=150 m×4 m×3 m，采空区尺寸为200 m×150 m×150 m，进、回风巷尺寸为10 m×4 m×3 m。对模型进行网格划分，网格划分采用三边形结构，模型共计37 851个网格。对模型的边界条件进行设定，将采空区划分为不均匀的多孔介质，内部空气为混合气体，忽略流体相互运动造成的能量损失。根据计算设定瓦斯质量流量2.5×10-6kg/(m3·s)。进风巷为风流速度入口，高位抽采钻孔和回风巷为自由出口，壁面为无滑移静态壁面。对不同抽采能力系数(抽采流量与配风量的比值)下采空区浓度分布情况进行研究，抽采能力系数取0.05、0.1、0.15，配风量为1 400 m3/min，模拟云图如图4所示。

图4 模拟云图

随着抽采能力的不断提高，高位抽采钻孔处的抽采瓦斯浓度呈现逐步降低的趋势。根据对抽采强度的定义可知，3种抽采强度下的抽采流量分别为70 m3/min、140 m3/min、210 m3/min，在高位抽采钻孔处的抽采瓦斯浓度分别在 2.8%～3.6%、1.8%～2.3%、1.4%～1.6%之间波动，对提前设定的上隅角瓦斯点P(1，3，200)进行瓦斯含量监测，发现3种抽采强度下瓦斯浓度分别为 0.49%、0.31%、0.26%.所以可以看出，随着抽采强度的增大，上隅角瓦斯浓度呈现逐步降低的趋势。综合而言，当抽采流量为140～210 m3/min时，上隅角的瓦斯浓度处于可控范围。

对不同工作面配风量对采空区内瓦斯浓度分布影响进行研究，同样设定进风巷和回风巷为风流的速度入口和出口，设定抽采流量与工作面配风量比值为1∶9，模拟工作面配风量1 000 m3/min、1 400 m3/min、1 800 m3/min时浓度分布情况，绘制距工作面不同距离下回风侧瓦斯浓度分布曲线，如图5所示。

图5 不同距离下回风侧瓦斯浓度分布曲线

由图5可知，随着工作面配风量的不断增加，回风侧的瓦斯浓度逐步降低。这是由于配风量增大，漏风量也相应增大，使得漏入采空区的风流对瓦斯浓度进行了一定的稀释，所以上隅角瓦斯浓度及回风侧瓦斯浓度逐步降低。同时由于高位抽采钻孔的存在，使得工作面漏入采空区的风流由此排出，一旦配风量较小时，工作面与采空区压力差较小，风流流动速度较小，造成上隅角瓦斯浓度增大；当工作面配风量增大时，工作面与采空区压力差增大，漏风携带的瓦斯浓度降低，风流携带瓦斯由抽采钻孔排出，所以抽采钻孔处的瓦斯浓度也有所降低，因此适当增大配风量能够解决上隅角瓦斯异常超限问题。