上邻近保护层开采Y型通风采空区瓦斯分布规律及控制——平煤六矿戊8-32010工作面案例研究

薛俊华，马 骞，李延河，李洪彪，袁占栋

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安710054；2.平顶山天安煤业股份有限公司 六矿，河南 平顶山 467000)

0 引 言

高瓦斯煤层在井工开采过程中，工作面一直面临着采空区和上隅角的瓦斯积聚问题[1-2]，尤其是近距离上保护层开采工作面，由于开采扰动后下邻近层卸压瓦斯窜入采空区，导致采空区和上隅角瓦斯浓度居高不下，严重妨碍着矿井安全生产。Y型通风系统可以消除上隅角瓦斯积聚，解决上隅角瓦斯易于超限的问题，是一条实现安全、高效、经济一体化生产的有效途径[3]。

虽然Y型通风系统解决了上隅角瓦斯超限问题，但同时改变了采空区瓦斯浓度场[4-5]，所以在施工过程中不能套用以前U型通风的瓦斯浓度场分布规律以及瓦斯治理技术[6-7]。只有摸清楚瓦斯浓度的分布规律，找出适合该工作面的系统风量及2条进风巷的风量分配，确定出高浓度瓦斯区域，在留巷内向此区域施工抽采钻孔才是解决采空区瓦斯浓度高的科学方法[8-9]。

为此，众多学者从理论研究、数值模拟、实验室试验和现场试验等方面进行了大量研究，获得了Y型通风采空区瓦斯浓度场分布规律[10]，偏Y型通风采空区瓦斯涌出规律[11]，开发了Y型通风风控瓦斯技术、留巷钻孔法抽采瓦斯技术等[12]。但是由于理论研究将现场复杂的条件做了理想简化及假设，一般不能很好的指导现场试验[13-14]。数值模拟试验在理论研究的基础上也做了一些条件假设，会与现场的试验有些差异，但是其适用性较强[15-17]。只有结合理论研究和数值模拟试验，才可以较好的指导现场工业性实验。

为了研究平顶山矿区煤层群特征下的上邻近保护层开采Y型通风采空区瓦斯浓度场分布规律及控制技术，文中基于理论研究，建立了采空区瓦斯涌出模型，并导入到FLUENT数值模型之中，研究了上邻近保护层Y型通风采空区瓦斯分布规律，并以进风巷风量分配为自变量，研究了其对瓦斯分布规律的影响，结合现场试验，确定最合适的进风巷风量分配，并在现场进行了验证，对比分析了导致数值模拟试验和现场试验结果之间差异的原因，最后利用留巷钻孔法对抽采效果进行考察，以期能为同类型煤层条件下的采空区瓦斯治理提供一定的参考依据。

1 矿井及工作面概况

平顶山天安煤业股份有限公司六矿主采煤层从上至下分别为丁5-6煤层、戊8煤层和戊9-10煤层，丁5-6煤层和戊8煤层平均层间距71 m，戊8煤层和戊9-10煤层平均层间距5 m，经煤层突出危险性鉴定后，决定将戊8煤层作为首采层。

戊8-32010工作面位于戊8煤层，平均煤厚2.2 m，设计可采长度2 300 m，倾向长度220 m，标高-633～-768 m，埋深873～938 m，通风系统结合高位瓦斯抽采巷及机巷切顶留巷布置，采用两进一回Y型通风方式，机巷、风巷进风，机巷留巷和机巷高抽巷回风，煤层为近水平煤层，遗煤平均厚度为0.2 m，可解吸瓦斯含量为4.3 m3/t，煤壁瓦斯初始涌出速率为0.003 56 m3/(m2·min)。工作面布置示意图如图1所示。

图1 煤层层位关系及工作面布置示意Fig.1 Relation of coal layers and working face

2 采空区瓦斯浓度分布规律及抽采数值模拟

2.1 条件假设

1)采空区为冒落矸石和岩块构成的带有空隙的多孔介质，并将多孔介质视为各向同性。

2)采空区气体不可压缩，不产生化学反应，其流动近似为稳态流动、等温过程。

3)忽略瓦斯的浮升效应，瓦斯充满整个采空区。

4)采空区瓦斯涌出源来自邻近层和遗煤。

5)遗煤和邻近层产生的瓦斯都是瞬间释放的，忽略解吸时间。

2.2 模型建立及网格划分

模拟对象为戊8-32010工作面，工作面长度220 m，采空区深度300 m，据现场考察，竖向裂隙带高度稳定在57 m，所以采空区高度设置为57 m，工作面宽度10 m，工作面高度4 m，风巷、机巷长度20 m，宽度4 m，高度3.5 m，建成的模型如图2所示。

图2 戊8-32010工作面数值模型Fig.2 Numerical simulation of Fifth8-32010 working face

风巷、机巷和留巷网格间距为1 m×1 m，采空区模块网格尺寸为2 m×2 m，网格划分结果如图3所示。

图3 网格划分Fig.3 Net divsion

2.3 采空区瓦斯涌出源模型

2.3.1 采空区空隙率分布模型

采空区空隙率与渗透率分布规律符合“O”形圈覆岩垮落形态，采空区空隙率与渗透率分布的数学表达如公式(1)和(2)[18]。

n(x,y,z)=

(1)

(2)

式中，n(x，y，z)为空隙率；L为工作面长度，m；k(x，y，z)为渗透率，m2；Dp为采空区冒落岩块平均粒径，取250 mm[19].

2.3.2 采空区遗煤瓦斯放散模型

采空区不同位置处的瓦斯涌出速率qc(y)可用公式组(3)求得[20]。

(3)

式中a为瓦斯涌出初始强度，m3/min；b为瓦斯涌出衰减系数，min-1；y为遗煤位置到工作面的距离，m；Vx为工作面推进速度，m/min；Qt为单位体积遗煤可解吸瓦斯放散体积，m3/m3；T为解吸时间，取288 000 min(即200 d).

通过上述方程组结合工作面遗煤放散条件，即可求出遗煤瓦斯涌出速率。

2.3.3 下邻近层瓦斯涌出模型

戊8-32010工作面开采时，戊9-10卸压瓦斯涌入工作面采空区，下邻近层瓦斯涌出量可由公式(4)求得，其中工作面煤壁绝对瓦斯涌出量参数，可由公式(5)求得，瓦斯排放率可由公式(6)求得，最终得出下邻近层的瓦斯涌出量[11]。

(4)

(5)

(6)

式中Qs为戊9-10煤层量瓦斯涌出量，m3/min；mi为戊9-10煤层厚度，3.1 m；Qb为戊8-32010工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；hi为邻近层层间距，m；其余薄煤层瓦斯涌出量忽略不计；ηs为戊9-10煤层的瓦斯排放率；L为戊8-32010工作面长度，m；h为开采厚度，2.2 m；S为开采层与邻近层层间距，13 m；q0为工作面煤壁刚暴露时单位面积煤壁的瓦斯涌出强度，m3/(m2·min)；V为工作面采煤机割煤时期平均牵引速度，m/min，实测值为10.08 m/min；Tc为工作面正常生产班期间，采煤机完成一次割煤周期所用时间，min，实测值为44 min。

2.4 采空区瓦斯运移方程组选择

选择的气体组分为甲烷-空气混合气体，选择湍流方程、连续性方程和动量守恒方程作为混合气体在采空区内的流动方程。假设混气扩散符合Fick定律，其中混合气体在采空区中的流动方程的统一表达式如式(7)所示，Fick扩散定律的表达式如式(8)所示[21]。

(7)

式中ρ为气体密度，kg/m3；φ为通用变量；t为时间，s；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

(8)

式中r为极坐标半径，m；D为扩散系数，m2/s；c为瓦斯浓度，mol/m3。

2.5 边界条件及相关参数设置

为研究系统风量为2 830 m3/min时，两进风巷进风配比对工作面及留巷的瓦斯浓度的影响，共设置了2个进风入口和一个出口。2个进风入口，分别表示戊8工作面机巷和风巷，工作面机巷风量与机巷风量之比分别为：1∶3，1∶2和1∶1.5，一个出口设置为自然出流。

2.6 抽采条件设置

在留巷向里距离工作面切顶线10 m处增加抽放汇对采空区瓦斯进行抽采，抽采管直径为500 mm，钻孔高度为巷道底部2 m处。

3 数值模拟结果及分析

3.1 瓦斯浓度分布规律实验结果及分析

在总风量2 830 m3/min的基础上，对工作面机、风巷风量分配进行调整试验，分别对机巷、风巷风量比例1∶3，1∶2和1∶1.53种状态对工作面瓦斯质量分数的影响进行研究，结果如图4所示。

图4 采空区瓦斯浓度场模拟结果Fig.4 Simulation results of gas concentration field in goaf

由图4可得，配风比例为1∶3时，通过工作面的风量较大，上下隅角压差增大，风巷端口与留巷压差也随之增大，导致工作面漏风严重，造成采空区防灭火难度加大；配风量为1∶1.5时，采空区和留巷处瓦斯浓度区域面积明显增大，基本可以看出增大风巷风量比例，工作面漏风加剧，减少风巷风量，采空区和留巷内瓦斯浓度会增大，而当采用配风比例1∶2时，一方面可以令工作面漏风情况得以控制，另一方面也可以缓解采空区和留巷内瓦斯积聚，所以配风比例为1∶2时更适合于戊8-32010工作面。

在Y型通风条件下，瓦斯向采空区深部不断积聚，且采空区尾部风巷侧瓦斯体积分数高于尾部留巷侧，由卸压钻孔法抽采卸压瓦斯机理可知[12]，采空区和覆岩裂隙区相连通，在留巷后部向采空区布置瓦斯抽采钻孔，可以持续高浓度抽采瓦斯资源。

3.2 瓦斯抽采实验结果及分析

采用配风比例为1∶2的通风模式建立戊8-32010工作面采空区抽采模型并布置尾抽钻孔，抽采模型如图5所示，抽采结果如图6所示。

图5 戊8-32010工作面抽采模型Fig.5 Extraction model of Fifth8-32010 working face

图6 戊8-32010工作面瓦斯抽采模拟结果Fig.6 Simulation results of gas extraction at Fifth8-32010 working face

由图6可以看出，利用尾抽钻孔抽采瓦斯后，采空区瓦斯体积分数明显降低，说明在留巷深部向采空区布置钻孔可以高效抽采瓦斯。

4 讨 论

(9)

式中Ma为空气摩尔质量，kg/mol；Mg为瓦斯摩尔质量，kg/mol。

在总风量2 830 m3/min的基础上，对工作面机、风巷风量分配进行调整试验，分别对机巷、风巷风量比例1∶3，1∶2和1∶1.5这3种状态时，对工作面3个测点和留巷内2个测点共5个测点的瓦斯浓度进行对比分析，测点布置如图7所示，现场试验测点与对应测试位置见表1。

图7 瓦斯浓度测点布置Fig.7 Layout of gas concentration measuring dots

表1 试验测点与对应测试位置

先将现场试验和数值模拟实验5个测点位置的瓦斯体积分数统计、并绘图，瓦斯体积浓度对比结果如图8所示。

由图8(a)可得，机、风巷风量配比1∶3时工作面瓦斯浓度在0.16%～0.3%之间，留巷段瓦斯浓度在0.32%～0.69%之间；配比为1∶1.5时工作面瓦斯浓度在0.24%～0.5%之间，留巷段瓦斯浓度在0.51%～0.64%之间。由图8(b)可得，机、风巷风量配比1∶3时工作面瓦斯浓度在0.02%～0.05%之间，留巷段瓦斯浓度在0.05%～0.3%之间；配比为1∶1.5时工作面瓦斯浓度在0.05%～0.07%之间，留巷段瓦斯浓度在0.04%～0.28%之间。

综上可得，风巷风量比例越小，工作面瓦斯浓度越高，留巷段瓦斯浓度越高；风巷风量比例越大，工作面瓦斯浓度越低，现场试验和数值模拟试验采空区瓦斯浓度的变化趋势基本一致。但工作面处和留巷内瓦斯浓度值差异较大，造成这一差异的主要原因是数值模拟中无法控制工作面向采空区内漏风和采空区向留巷内漏风的过程，后续笔者会就这一问题做进一步研究。

最后在留巷段向里距离工作面切顶线10 m处施工了瓦斯尾抽钻孔，抽采了采空区瓦斯，在此期间，工作面和采空区瓦斯都处于安全值以内[23-24]，相比于上个相邻U型工作面推进速度，本工作面推进速度明显提高，如图9为日产量与抽采浓度之间的关系图。

图8 瓦斯体积浓度对比Fig.8 Comparison of gas volume and itss concentration

图9 工作面日产量与瓦斯浓度的关系Fig.9 Relationship between day-products and gas concentration in working face

从图9可以看出，利用尾抽抽采采空区尾部瓦斯，瓦斯浓度都在50%以上，说明在尾部布置瓦斯抽采效果较好。在抽采效果考察后期，日产量有短时间的相对减小，这是由于此时煤层上覆岩层破断垮落，裂隙带初步形成，将尾抽为主的抽采方式转化为高抽巷裂隙带瓦斯为主抽采方式，一部分瓦斯通过裂隙带进行抽采，暂时降低了日产量。

5 结 论

1)在采空区瓦斯涌出和下邻近层瓦斯涌出强度一定时，近距离上保护层Y型通风的瓦斯易于积聚在采空区尾部，越靠近尾部，瓦斯体积分数增加速率越大，采空区尾部留巷侧瓦斯体积分数低于尾部风巷侧，在留巷尾部一定位置处布置瓦斯抽采钻孔能高效抽采瓦斯，并且此浓度场与单煤层Y型通风瓦斯浓度场分布规律基本一致。

2)增大风巷风量比例，会导致采空区瓦斯大量涌入留巷；减小风巷风量比例，会导致工作面瓦斯增加，因此改变2条进风巷配风量，工作面和留巷的瓦斯浓度会随之变化。