煤矿采空区瓦斯治理技术分析

董学林

中煤华晋集团韩咀煤业有限公司 山西临汾 042199

当前我国煤矿生产中最为常见的事故灾害便是瓦斯故障，这也是企业面临的重要问题，除了关系到煤矿开采外，一旦发生瓦斯事故还会威胁到现场所有工作人员的人身安全。结合当前煤矿采空区作业现状，瓦斯治理技术是防范相关事故的有效手段，通过矿井瓦斯预测与监测等方式，及时发现采空区潜在的安全隐患，避免发生瓦斯事故。鉴于此，下面围绕瓦斯治理技术的应用展开分析。

1 采空区瓦斯治理技术概述

按照以往积累的工作经验，如果长壁回采工作面出现瓦斯涌出的现象，原因可能是采煤、煤壁释放，该原因占比为20-30%，另外则是采空区涌出，在所有原因中占比高达70%-80%[1]。通常采场风流主要分为两个方面，其一是工作面下方漏入采空区，在工作面上部进入到工作面内，积聚在上隅角，其二是从工作面流过，将落煤、煤壁两个部位的瓦斯带入到工作面的上隅角位置。

由此可以分析采空区瓦斯的主要来源渠道，分为三个方面：第一，采空区内部的风流会将采煤其中部分瓦斯带入到采空区中；第二，位于采空区内部、附近煤层瓦斯，会顺延顶底板的缝隙进入到开采层采空区中；第三，采空区中的瓦斯释放，也是非常重要的来源渠道，关于这一点可以从4 个层面理解，首先，工作面实施放顶煤作业期间，落煤时卸压瓦斯会大量涌出；其次，分层开采期间进行卸压之后，位于下分层的煤层瓦斯会涌出；再次，原本采空区的遗煤瓦斯发生涌出；最后，在采动作用下位于煤层深部的瓦斯会涌入采空区。

总结采空区内瓦斯的分布规律，可以从采空区瓦斯、瓦斯上浮与扩散、风流流动等方面展开分析。由于采空区内的分流运动规律分别在静止、层流、紊流三个区域展开，所以区域内部的大小一般受顶板岩性、开采高度以及工作面长度等因素影响[2]。

2 煤矿采空区瓦斯治理建模

2.1 创建瓦斯渗流数学模型

首先明确混合气体状态，采空区内部的混合气体包括瓦斯、氮气、氧气，假设气体是理想气体，由此总结状态方程：①。公式①中的T 代表外界绝对温度，R0 是普适气体常数，M 代表的是混合气体摩尔质量，m 是混合气体质量，V 是混合气体质量，而P 在代表绝对压力[3]。

其次分析采空区气体流动，可以将采空区视为具有连续性特征的渗流空间，在其中引入空度因子，再运用Navier-Stokes 方程、气体质量守恒定律，得到公式②。公式②中的Fi 代表采空区所有组分气体流动状态下的流动阻力，μ 是气体动力黏性系数，P 是采空区气体压力，gi 是流体流动加速度分量，ui、uj 代表的是i 和j 两个方向流体渗流速度的速度分量。

2.2 模拟采空区风流场数值

第一，建模与划分网格。按照煤矿地质条件针对综采工作面的采空区创建物理模型，模型的长度以160m 为准，采空区顺延煤层的长度以100m 为准，综采工作面的宽度控制在8m，网格尺寸规格为1m×1m。

第二，针对采空区的风流分布数值进行模拟。首先总结稳态条件下的采空区风流分布规律。基于工作面风流稳态条件，采空区的风速、风向、风流分布必须实时观察，将采空区孔隙率设定为0.3，保证工作面通风正常的条件下，总结风流分布规律如下：接近综采工作面位置，岩石空隙越大，但是风流流动阻力会相对减小，这回导致研究区内部风速、漏风量增加。在采空区深处，受到顶板压实作用的影响，风速、漏风量越来越小。除此之外，综采工作面的采空区漏风位置多位于进风巷，所以建议工作人员在进风巷的一侧安装挡风墙，接近漏风的问题。

其次分析采空区内部的瓦斯尾巷，建议将瓦斯尾巷与工作面之间的距离设置为30m，工作面通风、尾巷抽放两个环节，所有监测点风向风速测量数据如下：（1）检测点1 风速为0.078m·s-1，方向为98.9；（2）检测点2 风速为0.067m·s-1，方向为83.0；（3）检测点3 风速为0.030m·s-1，方向为45.2；（4）检测点4 风速为0.055m·s-1，方向为123.6；（5）检测点5 风速为0.044m·s-1，方向为122.6。通过以上数据发现，采空区内部布设瓦斯尾巷实施瓦斯抽放作业，工作面漏风会深入到采空区的深处，区域内的风流与风速明显大于采取措施之前。

再次，采空区内布设瓦斯抽放管。在距离工作面20m 的位置设置瓦斯抽放管，工作面通风、利用瓦斯抽放管抽放瓦斯期间，记录现场布设的所有监测点风向与风速数值2。分析发现，因为瓦斯抽放管具体导流的效果，所以工作面漏风也会深入到采空区的深处，区域范围内风流速度比采取措施之前更大。另外，采空区压实稳定范围内的漏风量、风流速度整体较小。

最后，采空区内部布设高抽巷。在回风侧30m 的部位设置瓦斯高抽巷，与工作面之间的距离控制在30m，从而实施采空区瓦斯抽放作业，随即模拟采空区风流分布情况。总结风险越接近综采工作面，会受到高抽巷引流效果的影响，提高工作面漏风速度、漏风量，同时受瓦斯高抽巷导流的影响，使得工作面漏风深入到采空区的深处，区域范围内风流速度明显超过采取措施之前。因为高抽巷并没有设置在采空区边缘处，漏风带来的影响范围与尾巷、抽放管相比效果更佳。

总而言之，综采工作面的采空区漏风位置多处于进风巷周围，为了解决漏风的问题，建议在进风巷侧放置挡风墙。如果采用瓦斯尾巷、瓦斯抽放管、瓦斯高抽巷这三种方式实施采空区的瓦斯抽放作业，可以发现采空区中后方所呈现的瓦斯风流速度会存在避免明显的变化，抽放口与采空区距离越近，采空区漏风量、漏风速度也会随之增加，致使采空区遗煤氧化的规模扩大。

3 应用煤矿采空区瓦斯治理技术优化建议

3.1 遵循先抽后采顺序

作业现场开始抽放瓦斯前必须遵循先抽后采的根本原则，以加强采掘作业安全性为前提，设定分界点。建矿采区、工作面在实施开采前，工作人员需要确定预抽方法与时间，一般会在高瓦斯突出矿井内预抽瓦斯，降低煤层瓦斯的含量，使采掘环节瓦斯治理工作能够更加有序的展开，加强后续采掘作业的安全性。矿井瓦斯抽放规划中详细规定瓦斯预抽与瓦斯抽放的有效方法，结合各项抽放技术特征做好抽、掘、采生产方案的设置，并且按照要求组织现场作业，提高瓦斯抽放有效性与瓦斯治理能力。

3.2 实施煤层气作业监督管理

抽放瓦斯可以避免煤矿瓦斯事故，也有利于煤矿周围环境保护，提高资源利用率。所以，在实施采空区瓦斯治理期间，需要对煤层气的开发、瓦斯抽放进行监督管理，制定针对性的规划制度与监督机制，站在法律与经济的角度开放瓦斯抽放作业，加强煤炭资源、煤层气开发的协调性。另外，瓦斯抽放指标作为矿井安全生产工作的一部分，制定相应的管理规定，帮助政府部门实施监察工作，监督煤矿生产现场瓦斯抽放，针对不满足要求的矿井予以处罚，消除瓦斯事故因素。

4 结语

综上所述，瓦斯事故作为煤矿生产期间最为常见的灾害，工作人员需要分析导致该问题的根本原因，采用瓦斯治理技术，将采空区内所有瓦斯事故潜在隐患消除，再结合以往工作积累的经验，制定完善的瓦斯治理方案，总结采空区瓦斯抽放需求，避免出现瓦斯泄露的问题，降低矿井内部通风压力，规避瓦斯事故，也为煤矿工作人员提供安全保障。