上隅角错距式双埋管瓦斯抽采技术参数研究

倪廉钦，高 杰

(1.安徽理工大学 深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽 淮南 232001；2.山西金晖万峰煤矿有限公司，山西 孝义 032300)

煤矿采空区具有范围大、遗煤多、裂隙发育等特点，是瓦斯运移、积聚和涌出的主要场所，多数矿井采空区瓦斯涌出量可占矿井瓦斯涌出量的25%～35%[1]。受通风方式产生的工作面漏风、采空区瓦斯涌出等因素的影响，工作面及其上偶角易出现瓦斯超限现象，严重影响矿井的安全生产效率[2，3]。

上隅角埋管抽采采空区瓦斯技术具有投资成本低，布置灵活、可靠易用的特点，是解决上隅角瓦斯超限的有效治理措施[4，5]。于宝种[6]研究了上隅角插管深度对瓦斯抽采的影响。刘军[7]等提出了采空区大直径埋管抽采技术。康建宏[8]等通过数值模拟的方法研究了埋管抽采对采空区瓦斯流场的影响。吴兵[9]等提出了上隅角瓦斯拖管抽采技术，并通过数值模拟和现场试验确定了拖管抽采的最佳布置参数。刘彦青[10]等合理优化了采空区密闭联络巷埋管抽采的数量。李英明[11]等研究了上隅角埋管条件下 U 型通风系统的静压力场和瓦斯浓度场。杨前意[12]等模拟了不同抽采参数对埋管抽采的影响。赵灿[13]等采用联络巷埋管抽采措施有效治理了偏Y 型通风方式下的瓦斯超限问题。张浪[14]等通过Fluent软件研究了上隅角封堵联合插管抽采的瓦斯治理效果。赵宇新[15]研究了综采工作面及采空区瓦斯分布情况。李绪明[16]研究了高抽巷及埋管抽采条件下采空区瓦斯分布规律。成辰欣[17]等提出了埋管抽采与高位钻孔相结合的瓦斯抽采技术。传统的埋管抽采技术多为单管抽采，存在随着工作面的推进导致抽采管口位置改变，造成抽采效果不佳的问题，而采空区瓦斯抽采位置的选择是上隅角瓦斯埋管抽采成功的关键[18，19]。为此，本文以山西金晖万峰煤矿为研究对象，提出回采工作面上隅角错距式双埋管瓦斯抽采技术。利用数值模拟和现场实测两种方式合理优化抽采参数，并在现场进行了应用。最后通过现场实测上隅角瓦斯体积分数和抽采纯量对数值模拟结果进行了检验。

1 回采工作面概况

万峰煤矿属于高瓦斯矿井，1201综采工作面处于矿井中部，开采1号煤层，煤层厚度1.5m，煤层倾角平均4°，煤层原始瓦斯含量11.56m3/t，煤层顶、底板均为砂质泥岩、泥岩，上距1上号煤平均间距6.26m，下距2号煤平均间距6.95m。工作面走向长约1125m，倾向长155m，综采落煤，全部垮落法管理顶板，使用U形通风系统，工作面生产期间日推进1.83～3m。该工作面在生产期间工作面瓦斯涌出量为13m3/min，采空区瓦斯涌出量为9m3/min，上隅角瓦斯体积分数经常保持在0.65%以上，最大可达1.2%，存在瓦斯超限隐患。

2 采空区埋管抽采瓦斯理论分析

采空区漏风流是采空区瓦斯涌出的主要动力源，瓦斯气体自由扩散为次要动力，根据采空区气体流场和浓度的分布规律，可将采空区瓦斯流动划分为涌出带、过渡带、滞留带[20]。万峰煤矿1201工作面采空区“三带”瓦斯涌出情况如图1所示。

图1 1201工作面采空区“三带”瓦斯涌出情况

由图1可知，治理上隅角瓦斯超限的关键在于抑制采空区瓦斯涌出带内的瓦斯涌出，而埋管抽放就是在工作面回风侧采空区埋设抽采管路，对采空区瓦斯涌出带内的瓦斯进行负压抽采[21]。但传统的埋管抽采上隅角瓦斯技术随着工作面推进，采空区瓦斯涌出带范围不断改变，造成埋管管口位置改变，导致抽采效果不佳，如图2(a)所示。

图2 采空区瓦斯传统埋管和错距埋管抽采管路布置

错距式双埋管抽采技术是在工作面回风巷错距铺设两条低负压抽采管路，一条抽采管路埋入采空区较深，以初步拦截和抽采高浓度瓦斯，另一条抽采管路埋深较浅，用于二次拦截和抽采瓦斯的上隅角瓦斯治理新技术，如此循环交替，如图2(b)所示。错距式双埋管抽采技术中两条抽采管路的合理错距(最佳埋深位置及错距长度经研究测试确定)保证了抽采管路处于最佳抽采位置，即抽采管路始终位于瓦斯涌出带的范围内，从根本上解决了传统埋管抽采方式因工作面推进导致抽采口位置变动使抽采效果不佳的缺陷，同时，有利于管材的回收利用，具有较大的经济效益。

3 埋管抽采瓦斯数值模拟

以1201综采工作面实际物理几何参数为基础，采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件中自由和多孔介质流动模型构建采空区漏风流场计算模型。

3.1 模拟方案

为了研究两根埋管在立体空间的合理错距与上隅角瓦斯体积分数之间的关系，确定最佳的埋管抽采参数，运用COMSOL软件对以下情况进行数值模拟：①无抽采条件下上隅角瓦斯分布规律；②在距回风巷底板方向，沿走向埋深方向的立体空间内进行双埋管抽采，通过设计正交实验，模拟错距埋管抽采条件下的上隅角瓦斯分布规律。分析模拟结果，并得出最佳埋管抽采参数。

3.2 混合水平正交实验设计

为了研究双埋管抽采条件下，管道布置错距对上隅角瓦斯浓度的影响，基于1201工作面的现场实际，拟选择两根抽采管路分别距离底板的高度、埋入采空区的深度这四个影响因素。其中，影响因素A、C为距离底板的高度，取0.5m、1.0m、1.5m、2.0m四个不同水平量；影响因素B、D为埋入采空区深度，取5.0m、10.0m、15.0m、20.0m、25.0m五个不同水平量，建立混合正交实验。正交因素水平量见表1。

表1 埋管抽采正交实验因素水平量

3.3 几何模型构建

为了使模拟结果能够真实准确地反映采空区瓦斯流动特性，避免计算选择的区域较小导致计算结果具有片面性，故采空区计算区域后方边界至工作面距离设定为200m，1201工作面长度155m，1201工作面高度2.5m，进风巷净断面4m×2.5m，回风巷净断面4m×2.5m，工作面采用U型通风方式，进风巷风量1200m3/min，风速为2m/s，忽略采煤、支护等设备的影响，对网格进行加密处理。

3.4 数值模拟结果及分析

3.4.1 无抽采条件

设定采空区无抽采条件，经计算得到采空区无埋管抽采条件下瓦斯分布云图，如图3所示。由图3可以看出，采空区瓦斯浓度随工作面的推进而不断变化，距离工作面0～30m范围内的瓦斯涌出带，采空区未被垮落的岩体压实，孔隙率较大，且在靠近回风侧切顶线位置，漏风风流沿工作面推进方向速度分量较大，瓦斯浓度变化较为剧烈。距离工作面30～120m范围内的过渡带，自然垮落区逐渐向压实区过渡，由于孔隙率和渗透率的改变，该区域内瓦斯浓度变化迅速，呈现明显的瓦斯浓度梯度。距离工作面120m以上的滞留带，因采空区被垮落的岩体压实，孔隙率、渗透率较小，漏风风流对采空区内的瓦斯扰动作用较小，瓦斯浓度较高。

图3 未采取抽采措施的采空区瓦斯体积分数分布云图

风流入口处，瓦斯浓度最低。漏风风流从进风侧漏入采空区，在回风侧上隅角与采空区形成的压差作用下，携带大量采空区高浓度瓦斯漏回回风侧进入工作面。在回风巷上隅角处，风流扰动较小，且经采空区漏回的风流在此处汇合，瓦斯体积分数高达1.3%，瓦斯超限问题严重，必须采取有效的治理措施。

3.4.2 错距埋管抽采

为了确定双埋管抽采的合理布置参数，在抽采负压为20kPa条件下，对25组方案进行数值模拟，记录不同抽采参数下的上隅角瓦斯体积分数变化情况，并进行极差分析，抽采效果见表2。k1～k5表示25组混合正交实验上隅角瓦斯体积分数的均值，R′值为折算后的混合正交表的极差值，其中，埋入采空区的深度(因素B、D)极差较大，故埋管抽采时埋入采空区的深度对上隅角瓦斯体积分数影响较大。因上隅角瓦斯体积分数的指标呈望小特征，所以取上隅角瓦斯体积分数最小值所对应的因素水平值，故错距双埋管抽采的参数最优组合为A2B2C3D4。

综上所述，确定了上隅角错距式双埋管抽采的最佳抽采位置为抽采管路a距离底板1.0m，深入采空区10.0m，另一条抽采管b平行布置，距离底板1.5m，深入采空区20.0m处，抽采后上隅角瓦斯体积分数降低至0.30%，抽采效果如图4所示。

表2 错距式双埋管抽采条件下数值模拟的正交实验结果

图4 抽采效果最好的采空区瓦斯体积分数分布云图

与图3相比较，可以看出错距式双埋管抽采条件下，采空区内部的瓦斯流场发生了明显的改变。在Y轴方向，随着抽采管道向采空区深部转移，明显改变了上隅角附近的瓦斯浓度分布，采空区高浓度瓦斯随抽采管道的深入向采空区深部转移，错距式抽采管道可以较好地抑制上隅角瓦斯的积聚。但也可以看出，双抽采管道的出现加速了采空区深部高浓度瓦斯的涌出。在Z轴方向，由于瓦斯的密度比空气小而呈现的升浮特性，上隅角瓦斯浓度随抽采管道距离底板高度的增大而减小。

4 现场抽采效果

4.1 现场试验

根据上述数值模拟并结合万峰煤矿1201工作面现场实践，最终确定采用上隅角错距式双埋管瓦斯抽采措施，具体参数为：在回风巷上隅角位置错距布置两条抽采管路进行埋管抽采，管径300mm。一条抽采管距底板高1.0m，深入采空区10.0m；另一条抽采管平行布置，距离地板1.5m，深入采空区20.0m，铺设位置如图5所示。瓦斯抽采管路接入抽采系统，抽采负压20kPa，瓦斯抽采泵站使用两台2BEC-67水环式真空泵和两台P2620真空泵。

图5 1201工作面错距式埋管抽采最佳位置测试点布置

4.2 现场应用效果

图6 错距式埋管瓦斯抽采技术现场实测效果

随着工作面的推进，现场监测了埋管抽采期间上隅角瓦斯体积分数和抽采管内瓦斯抽采纯量，现场实测效果如图6所示。从图6可以看出，上隅角瓦斯体积分数稳定在0.32%～0.48%，抽采纯量可达4.1～4.9m3/min。采用错距式双埋管抽采技术治理上隅角瓦斯效果明显，有效解决了回采期间上隅角瓦斯超限隐患，保证了工作面安全高效生产。

5 结 论

1)数值模拟分析表明，埋管抽采对采空区瓦斯流场有很大影响，采空区高浓度瓦斯随抽采管道的深入向采空区深部转移，合理的埋管抽采错距可以有效降低上隅角瓦斯体积分数。

2)正交实验分析得出错距式双埋管抽采采空区瓦斯最有效的位置为距底板高1.0m、1.5m，深入采空区10.0m、20.0m处。

3)现场应用表明，错距式双埋管瓦斯抽采技术治理上隅角瓦斯超限效果显著，上隅角瓦斯最大体积分数在0.48%以下。