高瓦斯矿井工作面上隅角瓦斯超限治理研究

2023-03-25孙贝贝

山西化工 2023年2期

孙贝贝

（西山煤电集团有限责任公司，山西太原 030053）

引言

煤炭作为我国基础能源及主要工业原材料供应着人民生活生产。随着我国煤炭资源的开采年限日益增加，煤炭资源赋存条件简单的煤层已经逐步得到开采，现阶段开采的主要对象转移到赋存较为复杂的煤层。赋存条件较为复杂的煤层在开采时大量的瓦斯聚集引发爆炸等事故成为了困扰矿山开采的重要难题。在现实生产中，治理瓦斯的方法较多，但治理的效果并不十分理想，所以研究矿山的瓦斯治理成为了热门课题。耿铭[1]为了验证L 型通风对综采工作面采空区的瓦斯进行抽采效果，利用数值模拟软件对其进行模拟，发现L 型钻孔抽采技术可以有效解决瓦斯超限的问题，达到了稳定采空区的作用。张占国[2]研究了坚硬顶板冲击地压煤层发生瓦斯灾害的原因，提出六位一体的治理方法对瓦斯问题进行治理，并对治理后的工作面进行瓦斯监测，发现治理后的工作面无瓦斯涌出异常，有效保证了工作面的安全。解志胜[3]针对工作面瓦斯突出问题，提出在工作面采用U 型通风与高位钻孔的方法对瓦斯进行治理，解决了工作面瓦斯积聚问题，实现了瓦斯零超限，保证了矿山的安全生产。刘军[4]分析了工作面瓦斯量与通风量之间的关系，提出通过顺层交叉钻孔、裂隙带抽采的方法对瓦斯进行治理，治理后综采工作面的瓦斯得到了有效的治理，瓦斯超限现象得到了遏制。本文基于前人的研究，以杜儿坪矿22610 工作面为工程背景，对采空区上隅角瓦斯进行治理研究，为巷道安全开采做出贡献。

1 矿井概况

杜儿坪矿位于吕梁山脉中麓、太原市以西20 km处的西山煤田中部，井田面积为63.1 km2，矿井年设计生产能力为385 万t，属高瓦斯矿井。22610 工作面的西侧和北侧为实体煤，工作面东侧为已采22608 工作面，工作面由回风顺槽、进风顺槽、高抽巷和切眼组成。其中，回风顺槽长度为2 381.7m，进顺槽长度为2 510.6m，高抽巷长度为2 384.7m，工作面切眼长度为290 m，可采长度为2 261.7 m。工作面主采煤层为6#煤层，煤层厚度为6.25～6.55 m，煤层平均厚度为6.4 m，回采率94%，工作面采用走向长壁、后退式大采高低位放顶煤采煤法。工作面煤层的原始瓦斯含量约为10.049 6 m3/t，其中残余瓦斯含量约为2.37 m3/t，可解析的瓦斯含量为7.127 4 m3/t，属于高瓦斯工作面。

巷道顶板的高抽巷是在煤层顶板位置布置一条巷道，其功能是进行巷道瓦斯抽采。高抽巷的主要工作原理是煤层顶板裂隙带内的瓦斯随着工作面推进逐步卸压冒落，此时采空区内聚集的瓦斯沿着裂隙涌向整个裂隙带，由于高抽巷的存在，一定负压使得裂隙带内的瓦斯及采空区内的瓦斯由于力的作用流向高抽巷，有效减少采面的瓦斯含量。从其作用机理可以看出，高抽巷的抽采效果与高抽巷的抽采参数及层位布置有着一定的关系，所以利用数值模拟对不同埋管深度及布置层位下瓦斯抽采效果进行研究[4]。

2 模型建立

根据实际尺寸及地质资料中冒落带、裂隙带的高度，建立采空区的物理模型，工作面的断裂角为63°，垮落角为73°。模拟忽略工作面机械设备，适当进行简化，忽略矿井的周期来压，仅考虑采空区的漏风、回风巷、进风巷、高抽巷抽采对瓦斯运移的影响。将进风巷和回风巷简化为长方体，具体尺寸为长20 m、宽5 m、高3 m，高抽巷尺寸为长10 m、宽3 m、高3 m；模拟工作面长、宽、高分别为290 m、9 m、3 m；采空区长、宽、高分别为300 m、290 m、77 m。煤层近似为水平。对物理模型进行网格划分，网格质量不仅影响计算精度同时影响计算结果，利用ICEM CFD 软件进行网格划分，模型内瓦斯浓度设定为0.716 7 kg/m3，高抽巷抽采负压为2 kPa，通风方式采用U 型+高抽，完成模型的建立，对模型进行模拟研究[5-6]。首先对高抽巷不同层位下瓦斯分布情况进行模拟，高抽巷层位为相对于图1 参考点的层位变化。

图1 高抽巷层位参照图

3 模拟分析

高抽巷不同层位采空区瓦斯浓度分布云图如图2 所示。

图2 抽巷不同层位采空区瓦斯浓度分布云图

为了对比层位对瓦斯运移的影响，选定高抽巷的竖直层位为10 m，同时考虑到日常的维护，所以设定高抽巷和回风巷留存10 m 的距离。综合选定层位分别为（10 m，10 m）、（10 m，20 m）、（10 m，40 m）、（20 m、20 m）四种情况进行模拟。从图2 可以看出，采空区的瓦斯浓度分布情况整体呈现出回风侧瓦斯浓度高于进风侧瓦斯浓度的趋势，出现这一现象的原因是在进风侧由于进风风流作用使得瓦斯浓度得到一定的稀释，所以瓦斯浓度相对较低。观察模型垂直方向的瓦斯浓度分布情况可以看出，采空区上部瓦斯浓度高于采空区下部瓦斯浓度，呈现这一现象的原因是采空区冒落带使得下部漏风量较大，产生一定的稀释作用，同时由于瓦斯质量密度较小，所以会产生一定的浮升效应。以高抽巷为界下部由于漏风稀释瓦斯浓度较低，而在其上部高抽巷为负压汇流点，所以聚集一定范围的高浓度瓦斯，造成高抽巷一定范围内瓦斯浓度增高。对比不同层位下高抽巷对采空区内部瓦斯影响云图，可以看出不同层位对采空区瓦斯浓度影响较小，对上隅角瓦斯有着重要的作用；当水平距回风巷较远且竖直层位增大时，此时高抽巷对上隅角范围影响变大，瓦斯浓度较低区域增加，但在上隅角位置瓦斯浓度变高，所以高抽巷布置位置距离上隅角越远，此时上隅角瓦斯治理越困难，瓦斯涌出现象越明显[7-8]。

相对于U 型通风而言，上隅角的瓦斯积聚主要是由于有采空区瓦斯涌出造成的，所以控制好采空区的瓦斯涌出量十分重要。对采空区埋管瓦斯抽采技术进行研究，用于配合高抽巷同步使用。埋管的深度是影响抽采效果的重要因素，所以对不同埋管深度瓦斯浓度分布情况进行模拟，埋管深度选定10 m、30 m、50 m、70 m，抽采量保持不变，均为25 m3/min，汇总不同埋管深度下上隅角瓦斯浓度曲线如图3 所示。

图3 不同埋管深度上隅角瓦斯浓度曲线

从图3 可以看出，采空区上隅角瓦斯浓度随埋管深度增加呈现先降低后增加的趋势。当埋管深度设定为10 m 时，此时上隅角瓦斯浓度值为2%；增大埋管埋深至30 m 时，此时的上隅角瓦斯浓度为0.78%；当埋管深度增大至50 m 时，此时的上隅角瓦斯浓度1.55%；当埋管深度增大至70 m 时，此时的上隅角瓦斯浓度最大为3%。出现这一现象的原因是由于随着埋管深度的增大，此时采空区受到漏风影响效果减弱，瓦斯受到抽采负压影响被抽走，从而上隅角瓦斯聚集现象有所减弱，瓦斯浓度为1%左右，能够满足安全开采要求；继续增大埋管深度时，抽采口距离采空区距离较远，此时漏风影响及高抽巷采流场双重作用效果较弱，所以上隅角瓦斯浓度呈现增大的趋势。从以上分析可以看出，当采空区埋管深度在40 m 时，上隅角瓦斯浓度控制较佳[9-10]。