东曲矿28808工作面瓦斯超限治理分析

贾 鹏，邓鹏江

(1.西山煤电集团有限责任公司 东曲矿，山西 古交 030200； 2.煤科集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 沈阳 110016)

采空区瓦斯因漏风原因不断地涌入工作面，是造成工作面瓦斯超限的主要原因之一[1].瓦斯源涌入采空区后混合在一起，在浓度差和通风负压的作用下集中涌向工作面上隅角附近[2-3]. 东曲矿8#煤层为突出煤层，裂隙发育，瓦斯含量大，严重威胁该矿安全生产。基于该矿实际生产条件，研究28808工作面在推进30 m、80 m、130 m条件下，上隅角及采空区的瓦斯浓度分布，以确定抽采流量，指导煤矿安全生产。

1 采空区瓦斯涌出数学模型

煤岩体是由孔隙和裂隙组成的双重介质，瓦斯以吸附态和游离态分别存在于孔隙系统、裂隙系统中，并处于动态平衡状态[4-5]. 采空区煤岩破碎，裂隙发育，瓦斯流动受多种因素影响，流动过程复杂，运移方式属于渗流—扩散运动[6]，其渗流运动适用于Brinkman方程描述：

(1)

(2)

式中：

μ—黏性系数，kg/(m·s)；

u—速度矢量，m/s；

p—压力，Pa；

T—温度，K；

ε—孔隙率。

当煤岩体孔隙的直径很小时，瓦斯分子不能自由运动，其运移方式遵循流体的动力扩散定律[7]，即Fick定律：

(3)

式中：

r—极坐标半径，m；

D—扩散系数；

c—瓦斯浓度，mol/m3；

t—时间，s.

巷道及工作面气体流动方式以Navier-Stokes方程[8]进行描述：

(4)

(5)

2 采空区瓦斯涌出数值模拟

2.1 几何模型构建

28808综采面采空区冒落带高度为10.6 m，裂隙带高度为38 m. 随着工作面不断推进，采空区逐渐被压实，其中距离工作面30 m为自然堆积区，30～80 m为载荷影响区，80 m后为压实稳定区(见图1). 基于以上数据构建几何模型，研究工作面分别推进到30 m、80 m、130 m时瓦斯浓度场分布变化规律，有利于实现对采空区瓦斯流动情况更准确的数值模拟。

图1 回采工作面覆岩的分带和采空区的分区图

2.2 煤层瓦斯赋存特征

东曲矿28808工作面平均煤厚3.62 m，煤层瓦斯压力1.19 MPa，煤层透气性系数为2.463 m2/(MPa2·d)，瓦斯含量为5.19～11.09 m3/t，采空区瓦斯涌出量为10.02～15.62 m3/t，由于在工作面不同的推进距离下瓦斯涌出量不同，根据该矿相关资料，不同推进距离下工作面配风量见表1，采空区各区域的孔隙度与渗透率见表2.

表2 采空区各区域的孔隙度与渗透率表

2.3 不同推进距离下通风系统压力分布规律

针对工作面不同的推进距离，对工作面采空区进行数值模拟，得到不同推进距离的工作面及采空区空间的静压分布。根据煤层实际条件，选取Z=1 m高处截面压力作为分析对象，通过数值模拟，得到不同推进距离的静压分布图，见图2.

图2 不同推进距离下通风系统静压图

由图2可知，工作面进风侧压力最高，回风侧压力最低，随着工作面推进距离的增加，高压区的范围逐渐缩小，工作面两端的静压差逐渐变大，工作面分别推进到30 m、80 m、130 m时，两端压差分别为40.5 Pa、66.9 Pa、78.7 Pa，这是由于采空区面积的增大，导致了采空区涌向工作面的瓦斯量增大，又因为工作面配风量的增大，造成了工作面两端压差越来越大。

由于工作面推进30～80 m过程中，静压差增幅为26.4 Pa，增幅最大，故该阶段采空区瓦斯在压差驱动下向工作面涌出的速度变化最快；工作面推进距离80～130 m，静压差达到最大，但增幅仅有11.8 Pa，为前一阶段的44.7%，瓦斯涌出速度的增幅虽然降低，但瓦斯涌出速度达到了最大值。

2.4 不同推进距离下采空区瓦斯浓度分布规律

通过Fluent模拟，得到工作面和采空区瓦斯分布截面图(Z=1)，见图3.

由图3可知，沿走向(x轴)方向，在采空区0～50 m，工作面进风侧采空区瓦斯浓度低且浓度变化梯度小。从图3a)可知，当工作面推进30 m时，由于采空区瓦斯涌出量少，漏风严重，采空区内最高瓦斯浓度为3.2%. 从图3b)可知，当工作面推进80 m时，由于工作面配风量较大，且该部分主要处于采空区的自然堆积区与载荷影响区范围内，孔隙率较大，漏风较为严重，且采空区瓦斯涌出总量相对较少，使得瓦斯浓度达到最高稳定浓度集中在靠近回风巷一侧。从图3c)可知，工作面推进到80～130 m时，采空区的压实稳定区瓦斯浓度达到了50%以上，最高瓦斯浓度达到84%以上，采空区漏风强度相对较大，在靠近工作面回风侧的采空区由于漏风原因，瓦斯浓度急剧上升。

图3 不同推进距离下采空区瓦斯浓度分布截面图

由图3b)与图3c)对比分析可知，当工作面从80 m推进到130 m时，工作面配风量也增大了200 m3/min，但上隅角处瓦斯浓度分别为10%、11%，且随着工作面不断向前推进，瓦斯浓度将逐渐增大，单独通过U型通风系统增大配风量很难从根本上治理上隅角瓦斯浓度超限问题。

2.5 抽采参数的确定

东曲矿28808工作面最大配风量为1 400 m3/min,采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯总涌出量的比率为65%，为确保上隅角瓦斯浓度不超限，采空区瓦斯绝对涌出量上限应为7.28 m3/min.

在距工作面40 m处做抽采模拟试验，借用ORIGIN数据拟合功能，抽采流量与瓦斯绝对涌出量符合Logistic函数关系式(6)，其拟合效果见图4.

(6)

图4 抽采流量与瓦斯绝对涌出量关系图

将确保上隅角瓦斯浓度不超限的采空区瓦斯绝对涌出量上限7.28 m3/min代入式(6)中，可得瓦斯抽采流量q为6.43 m3/min.

3 结 论

东曲矿28808工作面通过单独增大配风量很难治理上隅角瓦斯浓度超限问题，解决该问题的最小瓦斯抽采量为6.43 m3/min，实际抽采时应将该理论结果上调10%，即最小瓦斯抽采流量应控制在7.07 m3/min以上，以保证东曲矿28808工作面安全生产。