高瓦斯矿井采空区拖管抽采技术研究与应用

樊晓飞

(山西晋城煤业集团 勘察设计院有限公司，山西 晋城 048006)

随着煤矿开采技术水平的提升，矿井产能也相应逐年增加，传统的U型通风方式的弊端也愈发明显。其中，上隅角瓦斯积聚导致瓦斯浓度的增加已成为制约矿井安全生产的核心因素，而目前国内常用的治理上隅角瓦斯的方法有：埋管抽采、高位钻孔抽采以及在裂隙带内布置高抽巷等[1].由于埋管抽采存在浪费抽采管路、不能改变抽采步距和安全投入较多等弊端，因此有必要对传统的抽采方法及工艺进行改进。新型的拖管抽采技术[2-5]既能够节省抽采管路材料，又可以根据抽采情况对应地调整抽采步距，且工程量相对较小。

1 3206综放面采空区瓦斯分布及抽采技术

1.1 采空区三区域划分

根据采空区内气体流场及瓦斯浓度分布规律，可将采空区大致划分为：涌出区(0～25 m)、紊流区(25～75 m)和滞留区(75 m以后)3个区域。煤层赋存条件以及顶底板差异性等因素均会导致3个区域划分存在一定的差异性。根据现场实际结果，某煤矿3206综放面3个区域瓦斯浓度及涌出量情况见图1. 由图1可知，3206综放面采空区涌出区内瓦斯涌出量较大，且随着新鲜风流涌向上隅角，导致上隅角位置瓦斯浓度激增。另外，工作面风流量的大小决定了携带采空区瓦斯量的能力，供风量越大，携带走的采空区瓦斯量越大，反之越小。紊流区内的瓦斯是在大气压力和采空区瓦斯压力共同作用下在采空区内的不稳定停留，随着大气压力的变化，紊流区也可能会有瓦斯涌出危险[6]. 如果不破坏采空区的封闭条件，滞留区内的瓦斯将永远滞留在采空区内。

图1 3206综放面采空区三区划分图

1.2 托管抽采技术

根据对采空区三区划分情况可知，控制采空区内涌出区的瓦斯涌出量是解决上隅角瓦斯的关键因素。上隅角拖管抽采技术的主要工作原理是在涌出区内形成一个负压区，利用负压抽采积聚在上隅角的瓦斯，同时拦截控制采空区深部的瓦斯涌出。随着工作面的推进，三区域跟着工作面同步前移，拖动装置可以保障连续抽采点形成的负压区始终稳定于涌出区，不会因工作面的推进前移而滞后于紊流区或滞留区内，见图2.

图2 拖管抽采系统工作示意图

拖管抽采装置操作简单，抽采支管可以跟随拖动装置同步前行，节约了抽采支管的材料，在控制抽采成本的同时对上隅角瓦斯起到了较好的治理效果。

2 采空区瓦斯浓度理论模型与工业性试验

2.1 采空区内涌出区瓦斯模型建立

根据采空区瓦斯的三区划分，从质量守恒连续性方程的角度考虑，运用菲克第一定律和达西定律进行相互转化，推导出按摩尔浓度表示采空区内涌出区混溶渗流扩散方程为[7-8]：

(1)

式中：

cg—采空区瓦斯的摩尔浓度，mol/m3；

v—采空区风流速度，m/s；

t—时间变量，s；

DgA—瓦斯组分的扩散系数张量，m2/s；

c—混合气体的摩尔浓度，mol/m3；

n—煤体的孔隙度；

Wg—瓦斯单位时间单位体积的摩尔生成量。

公式(1)可以根据下列条件求解：

新风边界上：

cg=0

(2)

cg|t=0=0

(3)

图3 涌出区瓦斯运移的计算模型图

根据图3涌出区瓦斯运移的计算模型，可以推导出瓦斯源理论表达式为[9]：

(4)

wg=H·Wg

(5)

式中：

wg—采空区内瓦斯在单位面积单位时间内涌出强度，mol/(m2·s)；

w0—采空区瓦斯涌出强度，mol/(m2·s)；

w1—紊流区和滞留区的初始涌出强度，mol/(m2·s)；

x—抽采管路端口距离工作面位置；

v1—工作面每天推进度，m/d；

λ1—紊流区和滞留区的衰减率，1/d；

H—随冒落带变化瓦斯的流场高度值，m.

公式(1)方程是非线性的，应与公式(4)联立求解，先通过求解采空区模型的速度场，再求采空区抽采前后内瓦斯浓度场变化。其中，采空区内瓦斯浓度场分布情况需结合时间变量多次代入求解得到。某煤矿3206综放面的工作面长度为210 m，采高为5.62 m，日进尺为3.6 m.工作面配风量为1 200 m3/min，采空区瓦斯涌出强度为3.78 mol/(m2·s)，紊流区和滞留区的衰减率为0.078. 假设采空区内瓦斯涌出均匀，可联合公式(1)和(4)计算求出涌出区内的瓦斯涌出量为5.18 m3/min，瓦斯浓度能够达到50%～90%. 瓦斯抽采量根据现场实际情况统计为3.25 m3/min.

2.2 现场工业性试验

由于某煤矿3206综采工作面上隅角瓦斯较大，所以选用了埋管抽采方法，但是上隅角瓦斯浓度依然没有下降。采用拖管抽采进行现场工业性试验，抽采管路利用原有的抽采支管，在抽采支管末端安设分路器，拖管连接分路器，拖管管径为DN150 mm，见图4.

图4 3206综采工作面拖管抽采布置示意图

抽采管路连入地面瓦斯抽采系统，最低抽采负压为5 kPa. 上隅角内侧1 m位置，距顶板0.5 m，距回风巷外邦为0.3 m安装瓦斯监控探头，同时进行人工取样定时监测，随着工作面的推进，分别考察拖管距顶板不同高度、距回风巷侧帮不同距离、距上隅角不同深度时，上隅角瓦斯浓度的变化情况，实际测试结果为分散点，进行数据拟合，结果见图5，6，7.

图5 距顶板不同高度时上隅角瓦斯浓度拟合曲线图

图6 距外帮不同距离时上隅角瓦斯浓度拟合曲线图

图7 距上隅角不同深度时上隅角瓦斯浓度拟合曲线图

从图5可以看出，抽采管路距顶板的距离和上隅角瓦斯浓度存在指数关系：y=3.88e-1.09x，即抽采管路距离顶板越近抽采效果越好。由图6可知，拖管距回风巷外侧巷帮的距离与上隅角瓦斯浓度存在二次曲线关系：y=-3.80x2+4.22x+1.73，可以得出距巷帮0.6 m左右是这个工作面的瓦斯涌出通道。由图7可知，拖管进入采空区的长度和上隅角瓦斯浓度存在二次曲线关系：y=-0.02x2+0.49x-1.24，可以得出埋管深度在15 m左右抽采效果最好。

现场测试结果显示，拖管距离巷道顶板0.2 m，距离回风巷外帮0.6 m，进入采空区深度为15 m左右时，抽采效果最好。

3 Fluent数值模拟验证

根据某煤矿3206综放面的具体地质条件和开采情况，结合现场采用拖管抽采新技术进行工业性试验确定的最优参数值，建立数值模型稳态求解，计算出采空区涌出区内瓦斯抽采前后的流态和瓦斯浓度分布情况分别见图8，9.

图8 抽采前采空区流态及瓦斯分布图

图9 抽采时采空区留态及瓦斯分布图

图8是在封闭的无边界漏风的条件下，左图为采空区内涌出区流场分布状态，右图为采空区内涌出区的瓦斯浓度分布状态，采空区瓦斯大部分集中在涌出区内，涌出区内最高瓦斯浓度达到95%，在风流影响下，集中到3206工作面的上隅角处，这对上隅角实施拖管抽采提供了理论依据。从图9可以看出，经过抽采后，抽采口距离上隅角15 m位置瓦斯浓度达到50%以上，抽采纯量达到3.25 m3/min，而且3026工作面上隅角瓦斯浓度降低，起到抽采上隅角瓦斯同时拦截瓦斯的作用，这与现场工业性试验结果吻合性较好。

4 工程应用

3206综采工作面采空区瓦斯涌出较大，采用了高位钻孔和埋管抽采相结合的方法未能解决上隅角瓦斯超限问题，根据上述理论分析、现场工业性试验和数值模拟验证，最终确定了拖管抽采的最优参数。3月25日—7月28日，采空区瓦斯抽采浓度达到2.8%～3.9%，瓦斯抽采纯量达到0.21～0.35 m3/min. 在这这段时间内，3206综采工作面上隅角瓦斯最大不超过0.5%，保证了3206综采工作面的安全生产，同时节约了抽采管路，取得了一定的经济效益。

5 结 论

1) 在某矿3206采空区三区划分的基础上，建立了涌出区的理论模型，并结合实际参数计算出了涌出区内的瓦斯涌出量和瓦斯的浓度情况。

图10 3206采空区瓦斯拖管抽放效果图

2) 在3206综采工作面现场进行拖管抽采技术工业性试验，确定出上隅角瓦斯拖管距离巷道顶板0.2 m，距离回风巷外帮0.6 m，进入采空区深度为15 m时抽采效果最好。

3) 通过数值模拟验证了现场工业性试验结论的合理性，且工程应用效果良好。可见，拖管抽采技术能够较好地治理上隅角瓦斯超限，在保证矿井安全生产的前提下，还节约了治理瓦斯成本。