布尔台矿综放工作面采空区瓦斯运移规律及瓦斯抽采优化研究

周爱桃，张蒙，王凯，陶博

中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院，北京 100083

采空区涌出瓦斯是采煤工作面瓦斯超限的重要原因之一，也是煤矿瓦斯治理的重点和难点[1-2]。神东布尔台煤矿煤层位于瓦斯风化带，煤层瓦斯含量尤其是可解吸瓦斯量较低，煤层原始瓦斯含量相对较低，但由于矿井开采强度大、产量高，导致矿井绝对瓦斯涌出量很大，矿井相对瓦斯涌出量为0.74 m3/t，但矿井绝对瓦斯涌出量达到了35.51 m3/min，且随着开采深度加深有增大的趋势。采煤工作面回风隅角瓦斯易积聚，顶板垮落易造成瓦斯浓度瞬间增高，是矿井瓦斯灾害的主要危险源。国内外大量现场实践研究已表明，采用瓦斯抽采的方法来解决综放工作面瓦斯超限问题是行得通的[3-5]。胡千庭等[6]基于数值模拟理论基础，利用FLUENT对工作面采空区瓦斯运移特征及在地面钻孔抽放条件下的瓦斯运移特征进行了数值计算，验证了可以用CFD模拟软件建立模型研究采场瓦斯分布特征。王凯等[7]结合综合机械化放顶煤技术条件下新型矿井J型通风方式，全面地分析了J型通风采场瓦斯运移规律，指出可以利用J型通风的方式解决采场向回风隅角集中漏风的问题，科学高效地解决了U型通风方式回风隅角瓦斯聚集的隐患。

本文以布尔台矿综放工作面为研究对象，掌握采空区瓦斯流动特征，优化布尔台矿综放工作面采空区瓦斯治理措施，对高产高效低瓦斯矿井解决采空区及上隅角瓦斯聚集和超限问题具有重要指导意义。

1 试验区生产地质条件

布尔台矿井设计生产规模为20 Mt/a，以3个水平开拓全井田。试验区位于42201工作面，主采42号上煤层，煤层厚度4.8～7.3 m，属1级容易自燃煤层，周边均为未开采区。42201综放工作面与22号煤层间距65～87 m，工作面埋深301.6～397.2 m。直接顶为砂质泥岩，扁平断裂、见滑面、较脆、有斜裂缝，厚度5～15 m；基本顶为粉砂岩，厚度5～24 m；直接底为砂质泥岩，厚度3～7 m。42201工作面布置42201轨道巷、42201运输巷和42202轨道巷3条巷道，两进一回，Y型通风方式，如图1所示。

图1 综放工作面移动式瓦斯抽放系统Fig.1 Mobile gas drainage system at working face 42201

布尔台矿42201综放工作面采空区采用插管抽采瓦斯的方式，抽采支管沿采空区联络巷布置，当相邻联络巷之间的距离大于70 m时，在联巷间煤柱内布置抽采钻孔，抽采主管路布置在42202轨道巷副帮侧顶板，预先在各抽放支管处准备好抽放三通，通过变换，连接抽放支管进行抽放。随着工作面不断推进，连接阀不断向前倒移，重复使用，根据抽放口距回风隅角的距离开启或关闭抽放支管。

2 瓦斯运移规律数值模拟分析

受限于工作面的实际情况，很难在同一地点进行瓦斯抽采对比试验。因此，结合布尔台煤矿42201综放工作面现有插管抽采系统，运用数值模拟软件FLUENT模拟采场瓦斯流动特征及抽采效果，为选取最佳抽采参数提供依据[8-11]。

2.1 模型建立

以布尔台煤矿42201工作面及其采空区作为模型原型，把现场断面不规整的运输巷、轨道巷和工作面视为长方体，人员、设备等不予考虑，根据运输巷平均截面积为18.8 m2，轨道巷平均截面积为18.5 m2，设定运输、轨道巷尺寸(长×宽×高)为40 m×4.5 m×4 m，工作面尺寸(长×宽×高)为320 m×4.5 m×4 m；采空区倾向方向尺寸320 m，走向方向尺寸为300 m，整个模型高度为70 m，包括煤层厚度5 m，垮落带高度15 m，裂隙带高度50 m，弯曲下沉带变形量很小[12]，对模拟结果影响不大，本模型未予考虑。所建模型如图2所示。

图2 采场模型及网格划分Fig.2 Diagram of stope model

2.2 参数设置

2.2.1 采空区参数设置

采空区垮落带及裂隙带的设置通过建立多孔介质模型来实现，其主要参数为黏性阻力系数(Viscous Resistance)、惯性阻力系数(Inertial Resistance)和孔隙率(Porosity)。由于采场漏风量不大、流场速度较小，基本上是层流区，惯性阻力对模拟结果影响较小，故不予考虑。黏性阻力系数是渗透率的倒数，难以现场确定。本文采用文献[13]中的结果，对随工作面推进的渗透率Kp与孔隙率φ变化关系曲线拟合得到的指数关系式(1)，编制UDF。采空区多孔介质孔隙率在采空区内不同位置的分布曲面如图3所示。

Kp=2×10-5e19.23φ

(1)

图3 采空区孔隙率分布曲面Fig.3 Porosity distribution curved surface in goaf

2.2.2 采空区瓦斯质量源项的确定

模型的瓦斯涌出源只考虑本煤层遗煤解吸和邻近层瓦斯涌出。模型的裂隙带部分作为上邻近煤层瓦斯源，把垮落带底部作为本煤层遗煤瓦斯源，采用UDF编程实现。

2.2.2.1 瓦斯源的分布

根据上述假设，布尔台矿42201工作面采空区瓦斯源主要是22号、22号上、31号等邻近煤层及本煤层遗煤，其中22号上煤层已回采，采出率大于90%，故不予考虑。

2.2.2.2 本煤层遗煤解吸

遗煤残余瓦斯解吸量是采空区瓦斯来源的重要组成部分。根据现场实测煤体可解吸瓦斯量、瓦斯放散初速度与衰减系数，结合遗煤厚度、工作面推进速度，对布尔台矿42201工作面采空区进行数值模拟。

大量的理论研究和现场实践表明，煤粒的瓦斯涌出强度与时间之间符合如下关系式[14-15]：

qt=q0e-nt

(2)

式中，qt为单位质量煤粒的瓦斯涌出强度，m3/(t·min)；q0为煤粒的初始瓦斯涌出强度，m3/(t·min)；n为煤粒的瓦斯涌出衰减系数，min-1；t为煤粒暴露时间，min。

根据式(2)可以获得任何时间t单位质量煤颗粒的累积气体排放量Qt′：

(3)

以布尔台矿42201综放工作面采场为分析主体，进风巷拐角处为坐标原点，煤层走向方向定为X轴，综放工作面倾向方向定为Y轴。选取X轴微元dx，则该微元范围内的遗煤质量为(1-C)ρhLdx，开采时间由推进距离x和推进速度u来确定，即t=x/u。由此可推导出采空区x范围内的遗煤累计的瓦斯涌出量Q、相对瓦斯涌出量Qr和绝对瓦斯涌出量Qd：

(4)

(5)

(6)

式中，C为工作面采出率，%；ρ为煤的密度，t /m3；h为工作面煤层高度，m；L为工作面长度，m；x为采空区深度，m；u为工作面平均推进速度，m /min。

运用瓦斯解吸仪测定布尔台矿42201工作面煤体瓦斯涌出强度，测定过程选取煤粉作为瓦斯含量测试样煤，所测解析强度比煤粒块稍大。煤粉瓦斯解吸强度实测数据见表1。

表1 煤粉瓦斯解吸强度实测数据

将数据整理后进行拟合，如图4所示。可得出布尔台煤矿工作面煤粉瓦斯初始解吸强度q0为0.061 19 m3/(t·min)，煤粉瓦斯解吸衰减系数n为 0.135 8 min-1。将数据代入式(6)，得出遗煤瓦斯涌出强度与采空区深度的关系式，把垮落带底部0.5 m作为本煤层遗煤瓦斯源，编制UDF代入模型。

图4 公式拟合情况Fig.4 Formula fitting situation diagram

2.2.2.3 邻近层瓦斯涌出量

邻近层瓦斯涌出量计算公式[16]为

(7)

式中，qad为邻近层瓦斯涌出量，m3/t；mi为第i个邻近层厚度，m；m为开采层的开采厚度，m；Ki为第i邻近层瓦斯排放率，%；Woi为第i煤层的原始瓦斯含量，m3/t。

Ki是一个多变量函数，与开采层煤厚B、采煤工作面长度L、开采层至邻近层的垂距h相关，它们之间遵循如下函数关系[17]

(8)

布尔台煤矿42201工作面开采层煤厚B为5.7 m，开采厚度m为4 m，工作面长度L为320 m，结合各邻近层厚度mi、瓦斯含量Woi以及邻近层至开采层的垂直距离h，得出邻近层瓦斯涌出量见表2。

表2 邻近层瓦斯绝对涌出量取值

2.3 结果分析

基于现有抽采方式下瓦斯浓度分布情况研究，在不考虑瓦斯抽采的情况下，采场瓦斯在三维空间里的分布规律如图5和图6所示。

2.3.1 水平方向

在z=2 m平面[图5(a)(b)]，沿工作面走向方向自进风侧至回风侧瓦斯浓度逐渐增大，且在上隅角处积聚，新鲜风流自进风巷流向工作面，有少部分风流漏风流入采空区，在工作面中部时漏风流开始将采空区内聚集的高浓度瓦斯带回工作面，在上隅角处瓦斯聚集更为明显；受漏风风流流动影响，瓦斯浓度等值线图在采场内呈抛物线状，且自进风侧至回风侧瓦斯浓度变化越来越快。沿采空区倾向方向，自工作面至采空区深部瓦斯浓度越来越大。

在z=20 m[图5(c)]处，采空区近上隅角侧最深处瓦斯浓度最高，回风隅角上部瓦斯浓度高于进风侧，整个采场平面区域出现两个极大值区域和一个极小值区域。

图5 采场瓦斯在水平方向的分布Fig.5 Gas distribution in horizontal direction in stope

2.3.2 垂直方向

在垂直工作面方向上[图6(a)]，瓦斯等值线在进风侧较为稀疏，在回风侧较为密集。这是由于进风侧处风流新鲜、风速大，稀释带走此处瓦斯；而回风隅角处因携带采空区瓦斯的漏风流回流。

在煤层走向方向上[图6(b)]，受采场漏风流的影响，瓦斯等值线在近工作面侧较为稀疏，而在采空区中部比较密集。

图6 采场瓦斯在垂直方向的分布Fig.6 Gas distribution in vertical direction in stope

3 方案优化

基于以上研究，结合布尔台矿现有瓦斯抽采技术，模拟不同插管间距、负压和配风比条件下的采空区气体运移规律和瓦斯抽采效果，优化上隅角插管抽放技术[18-20]。

3.1 抽放口距回风隅角距离对插管抽采效果的影响

插管间距直接决定着抽采效果，不同抽放口距回风隅角距离(20 m、40 m、60 m、80 m)条件下的回风隅角处瓦斯分布如图7所示。图8为不同距离下工作面倾向方向上近采空区侧监测所得瓦斯浓度变化曲线。抽采效果分析如下：

(1) 抽放口距回风隅角的间距为20 m时，瓦斯抽采效果欠佳。此时抽采口距离工作面较近，采空区垮落塌实度较差，在抽采负压作用下工作面向采空区漏风，虽然此处的瓦斯浓度降低，但插管的抽采效率不高，瓦斯抽采浓度低而且不稳定。

图7 不同抽放口距回风隅角距离条件下回风隅角处瓦斯浓度等值线Fig.7 Contours of gas concentration at the air-return corner with different distances between drainage port to return corner

图8 工作面倾向方向上近采空区侧瓦斯浓度变化曲线Fig.8 Variation curves of gas concentration near goaf in the inclined direction of working face

(2) 抽放口距回风隅角的间距为40 m时，上隅角处瓦斯浓度较低，约为0.2%，抽采效果较佳。

(3) 抽放口距回风隅角的间距为60 m时，上隅角瓦斯浓度低于0.2%，抽采效果良好。

(4) 抽放口距回风隅角的间距为80 m时，回风隅角瓦斯的治理效果差，瓦斯浓度约为0.67%，抽采效果有所下降。可以看出，当抽放口距回风隅角的距离达到一定值时，抽采效果随着距离的增加逐渐降低。

综上所述，抽放口距离回风隅角为40 m时的抽采效果最佳。

3.2 抽采负压对插管抽采效果的影响

在抽放口距回风隅角间距为40 m的条件下，不同抽采负压(10 kPa、20 kPa、30 kPa)影响下回风隅角处瓦斯分布如图9所示，图10为不同抽采负压下工作面倾向方向上近采空区侧监测所得瓦斯浓度变化曲线。

不同抽采负压条件下抽采效果分析如下：

(1) 当抽采负压为10 kPa时，上隅角瓦斯得到一定缓解，虽有一定下降但不明显，上隅角瓦斯浓度超过0.36%，此时瓦斯抽采量较小，不足以解决上隅角瓦斯聚集的问题。

图9 不同抽采负压条件下回风隅角处瓦斯浓度等值线图Fig.9 Contours of gas concentration at air-return corner with different drainage negative pressures

图10 工作面倾向方向上近采空区侧瓦斯浓度变化曲线Fig.10 Variation curves of gas concentration near goaf in the inclined direction of working face

(2) 当抽采负压为20 kPa时，上隅角处瓦斯超限问题得到有效解决，瓦斯浓度约为0.2%，抽采效果较好。

(3) 当抽采负压为30 kPa时，上隅角瓦斯浓度虽有所降低，但回风隅角侧工作面向采空区漏风现象明显，因此过高的抽采负压会增加工作面向采空区漏风，有可能引发采空区自然发火。

3.3 不同配风比对插管抽采效果的影响分析

保持插管间距和抽采负压不变，分别模拟42201工作面辅助运输巷进风(主进风)和运输巷进风(辅助进风巷)配风比为1.5∶1、2.3∶1、3∶1、4∶1时回风隅角处瓦斯分布如图11所示，其中2.3∶1为42201工作面现配风比。图12为不同配风比条件下工作面倾向方向上近采空区侧监测所得瓦斯浓度变化曲线。

不同配风比条件下抽采效果分析如下：

(1) 整体上来看，随着风量配比的增加，采空区漏风也随之加重，整个采空区的瓦斯浓度随着风量的增大而降低。

(2) 当主辅进风比为1.5∶1和2.3∶1时，随着风量配比的增加，上隅角处瓦斯超限问题得到有效解决，瓦斯浓度逐渐降低；当主辅进风比为3∶1和4∶1时，整个采场瓦斯浓度有所下降，但随主辅进风比增大上隅角瓦斯浓度逐渐增大，上隅角瓦斯聚集现象较为明显。这是因为当主辅进风比较小时，随着主进风巷风量的增加，风流稀释并带走了部分回风隅角的瓦斯；随着风量的继续增大，工作面向采空区漏风现象亦更加明显、漏风量更大，漏风风流会把采空区高浓度瓦斯带回工作面及回风隅角。因此，漏风量和回风隅角的瓦斯浓度随着主进风巷风量的增加而增加，解决上隅角瓦斯超限问题并不是采煤工作面风量越大效果越好。综上所述，得出当主辅进风比为1.5∶1和3∶1时，较为合理。

因布尔台矿新增一个综放工作面，使得42202工作面风量小于原定风量，调高配风比难以实现，而较低的配风比将影响工作面正常生产，导致工作面风量不足、温度升高等。故现场考察时不考虑配风比对抽采效果的影响。

3.4 瓦斯抽采技术优化方案

根据上述模拟分析结果可知：

(1) 保持采空区插管抽采负压不变，当抽放口距回风隅角距离在20～60 m时，抽采效果随抽放口距回风隅角距离增加而提高，40 m时效果最好；当其达到一定值时，抽采效果随抽放口距回风隅角距离增加而下降。结合布尔台矿实际情况，插管间距布置为60 m，则随着工作面的推进，抽放口距回风隅角的距离在20～80 m之间。

(2) 合理的抽采负压同样对抽采效果至关重要。负压过小，瓦斯抽采量较小，不足以解决上隅角瓦斯聚集的问题，达不到预期抽采效果；负压过大，采空区漏风增加，插管的抽采效率不高，瓦斯抽采浓度低，还易导致采空区自然发火。因此，抽采负压以20 kPa为宜。

图11 不同配风比条件下回风隅角处瓦斯浓度等值线图Fig.11 Contours of gas concentration at air-return corner with different air supply ratios

图12 工作面倾向方向上近采空区侧瓦斯浓度变化曲线Fig.12 Variation curves of gas concentration near goaf in the inclined direction of working face

(3) 解决上隅角瓦斯超限问题并不是采煤工作面风量越大效果越好。主辅进风比较小时，随着主进风巷风量的增加，对上隅角瓦斯有一定的稀释作用；随着风量的继续增大，工作面向采空区漏风现象亦更加明显，漏风量更大、漏风风流会把采空区高浓度瓦斯带回工作面及回风隅角，因此，漏风量和回风隅角的瓦斯浓度随着主进风巷风量的增加而增加。因此，建议主辅进风比为1.5∶1～3∶1。

4 现场应用

结合布尔台矿二盘区42202工作面现有抽放系统，根据数值模拟及现场实际布置示范工程方案如图13所示，从过29联络巷60 m处(原10号钻孔)开始考察，至过27联络巷60 m 处(原13号钻孔)结束，共计300 m。沿煤壁施工4个抽采钻孔，布置插管1、2、3、6，且在28、27联络巷内分别布置插管4、5，考察区域内共计6根插管。将考察区域分为4段，即区域一至四。

设计考察方案如下：

(1) 随着工作面推进，当插管1进入采空区约20 m时，开放使用并开始监测，考察有效抽采半径20～75 m。

图13 示范工程设计图Fig.13 Demonstration engineering design

(2) 当插管2进入采空区约20 m时，开放插管2，关闭插管1，考察有效抽采半径20～80 m。

(3) 当插管3进入采空区20 m时，开放插管3，关闭插管2，考察有效抽采半径20～80 m。

(4) 当插管4进入采空区20 m时，开放插管4，关闭插管3，直到插管6进入采空区20 m处截止，考察有效抽采半径20～145 m。

(5) 期间监测CO浓度，谨防超限，若CO或上隅角CH4浓度超限，及时关闭插管4，开放插管5，待6号插管进入采空区20 m时，关闭插管4，开放插管6。

考察区域参数见表3。

表3 考察区域参数

4.1 抽放口至回风隅角的距离对抽采效果的影响分析

通过建立上隅角瓦斯浓度、瓦斯抽采纯流量、CO浓度随插管间距的变化关系，分析采空区插管抽采瓦斯特点，寻求采空区插管的合理插管间距，进一步完善瓦斯治理技术体系。

4.1.1 抽放口至回风隅角的距离对上隅角瓦斯浓度效果影响分析

在进行数据分析时，为排除昼夜交替气压变化对结果的影响，选取测量期间内每天同一时刻(夜班1、5点、早班11点、中班17、21点，其中早班为检修班)，煤机距回风隅角大于20 m，垮落情况相同的数据(去除完全垮落时的数据)进行对比。分析可知：

上隅角瓦斯浓度达到极大值时，几乎均处于抽放口距回风隅角最近或最远端；上隅角瓦斯浓度达到极小值时，均处于40～60 m之间。上隅角瓦斯浓度极大值出现5次，其中4次处于抽放口距回风隅角最远端，一次处于抽放口距回风隅角最近端；上隅角瓦斯浓度极小值出现4次，抽放口距回风隅角的距离均处于40～60 m之间。

4.1.2 抽放口至回风隅角的距离对抽采纯量的影响分析

抽采纯量与抽放口距回风隅角的距离基本呈反比，抽放口距回风隅角越远，抽采纯量越小；但抽放口距回风隅角距离小于20 m时，所形成的抽采负压距工作面过近，会造成采空区漏风，反而降低抽采纯量；当抽放口距回风隅角20～40 m时，抽采纯量较大，抽采纯量极大值均在抽放口距回风隅角的距离为20～40 m内；当抽放口距回风隅角的距离大于40 m时，随着距离的增大，抽采纯量逐渐减小。

4.1.3 抽放口距回风隅角的距离对上隅角CO浓度的影响分析

经观测可知，CO浓度基本上符合随着抽放距离的增加而增加的变化趋势，当抽放口距回风隅角的距离为20～95 m时，CO浓度小于0.024‰；当抽放口距回风隅角的距离为95～140 m时，部分时段CO浓度超过0.024‰临界值。这是由于布尔台矿42号上煤层采空区自燃带为18～136 m，采空区浮煤在自然发火期以内。因此，抽放口距回风隅角的距离应小于95 m，则插管间距应小于75 m。结合现场实际情况，当插管间距为70 m时，既能有效控制抽采成本，满足工作面推进要求，又可以取得较好的抽采效果。

4.2 抽采负压对抽采效果的影响分析

统计42202工作面采空区插管抽采负压、抽采混合流量、纯流量观测数据，以纯瓦斯流量为主要考察指标，建立采空区插管抽采主要指标混合流量、纯流量随抽采负压的变化关系，分析可知：

42202综放工作面采空区插管的抽采负压保持在10～30 kPa内，抽采纯量随负压的增大变化较大，总体上呈抛物线趋势。当负压为10～18 kPa时，抽采纯量、混合流量基本上随负压增大而增大，抽采纯量虽然有所波动，但总体上呈增大的趋势，抽采纯量保持在1.21～1.37 m3/min内，处于较高水平；当负压为18～30 kPa时，随抽采负压的增大抽采纯量、混合流量均呈下降趋势，抽采纯量、混合流量平均值呈现出先增大，当增大至某一数值时出现上下起伏，然后降低。

综上所述，负压为12～18 kPa时，抽采效果较理想。

5 结 论

(1) 基于布尔台矿42201工作面建立FLUENT数值模拟模型，以本煤层采空区遗煤解吸和邻近层瓦斯涌出为瓦斯源项，模拟采场瓦斯流动特征，得到了采场水平方向和垂直方向的瓦斯浓度空间分布规律。

(2) 模拟不同插管间距、抽采负压、配风比对瓦斯插管抽采效果，分析得出插管抽采的合理技术参数如下：抽放口距回风隅角的距离在20～80 m，即插管间距为60 m；抽采负压保持在20 kPa；主辅进风比为1.5∶1～3∶1，抽采效果较好。

(3) 综合考虑现场实际及经济效益、理论分析、数值模拟结果等因素，提出42202综放工作面瓦斯抽采优化方案，并现场实测统计相关抽采数据。根据现场实测数据分析得出插管抽采的合理技术参数，当插管间距为70 m、抽采负压为12～18 kPa时，抽采效果较理想。