高抽巷抽采条件下采空区瓦斯运移规律研究

官安龙，胡新宇

(1.潞安化工集团 余吾煤业责任有限公司 山西 长治 046000；2.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024)

煤层开采后，上覆煤岩层因受采动影响，产生不同程度的变形，煤层的透气性大幅度提高，煤岩体内大量吸附的瓦斯被解吸出来[1-3]，引起瓦斯超限，甚至会造成瓦斯爆炸事故[4-5]，威胁生产安全[6]，因此，许多瓦斯抽放技术被应用于治理采空区瓦斯[7-8]。通过高抽巷瓦斯抽采技术，可以降低瓦斯浓度，减少瓦斯事故的发生，也在一定程度上缓解能源紧张的[9]。白建强等[10]借助FLUENT软件模拟分析高抽巷距回风巷不同平距、煤层顶板不同垂高条件下的瓦斯抽放效果，确定了高抽巷的最佳位置；靳晓华等[11]运用单元实测法分析瓦斯分布规律，并优化了高抽巷抽采技术；梁成等[12]研究了不同布设参数下的高抽巷对采空区瓦斯与氧气流场运移规律的影响。

本文通过理论分析的方法，探究余吾煤业N1102综放工作面采空区的瓦斯分布规律；运用数值模拟的方法，分析高抽巷抽采条件下采空区的瓦斯运移规律，并结合现场实测数据验证模拟的正确性。

1 综放工作面采空区瓦斯运移规律

1.1 试验工程地质特征

余吾煤业主采煤层为二叠系山西组3号煤层，平均厚度6.1 m，煤体容重1.39 t/m3，平均倾角为3°，采用走向长臂综采放顶煤一次采全高、全部垮落法管理顶板，工作面采高3.1 m，放煤厚度为3 m。在N1102工作面进行试验，工作面回采平距1 021.6 m，切眼平距300 m；工作面地质构造简单，煤层直接顶为482 m泥岩，老顶为9 m中粒砂岩，直接底为3.5 m厚的泥岩。

1.2 采空区瓦斯运移规律分析

采空区风流速度小，导致对流传质系数小，从而造成瓦斯积聚；另外，瓦斯会在浮升力的作用下聚积到采空区顶部[13]，巷道周边的层流边界层也会使得高浓度瓦斯不被漏风流带走，使采空区瓦斯浓度大大升高。

上述原因使采空区瓦斯分布具有一定的规律，工作面风速较大，瓦斯浓度相对较低，在距工作面一定距离的采空区内，残留在采空区底板的浮煤会释放大量瓦斯；随着距工作面距离的增加，垮落下的岩石较为松散，间隙较大，从而漏风风速也较大，瓦斯浓度随之降低；当浮煤瓦斯释放量很小时，瓦斯浓度降低到一定程度便保持稳定。因此，采空区瓦斯浓度在平行于工作面方向上呈现出来的规律是：随着距工作面距离的增加，瓦斯浓度先增大，后减小，然后保持稳定。

在工作面附近，采空区瓦斯浓度在垂直于工作面方向上呈现的规律为：从进风侧到回风侧，瓦斯浓度逐渐增大。当距工作面有一定距离时，瓦斯浓度基本保持平稳，主要原因是工作面附近风流速度较大，在风流的作用下，瓦斯向回风侧运移；而在距工作面较远处的采空区内，漏风流流速较小，瓦斯浓度变化在分子扩散的作用下逐渐趋于平稳。

瓦斯受到浮升力的作用会向顶板方向运移，造成顶板瓦斯积聚[14]。受到漏风流的影响，在竖直方向上，采空区瓦斯会呈现一定的规律，在靠近工作面处，漏风流带走的瓦斯量较大，瓦斯浓度梯度较小；随着距工作面距离的增加，垮落的顶板被压实，瓦斯运移空间减小，瓦斯浓度梯度逐渐增大。另一方面，高处的漏风流较小，也会使得瓦斯浓度在竖直方向上分层。

1.3 工作面瓦斯浓度测定

通过布置监测点，测定工作面瓦斯浓度分布，得出工作面瓦斯分布规律。沿N1102工作面切巷每15 m布置1个测站，共布置20个测站，如图1所示，每个测站按照图2布点方式各测定一组数据。

图1 瓦斯浓度测点布置示意

图2 每个测点断面3个测点位置图

1.3.1 工作面瓦斯浓度沿切巷分布规律

在各个测点测得瓦斯浓度，并求出其瓦斯浓度的平均值，见表1，由此得到沿工作面风流方向的浓度分布。测定数据表明，采面瓦斯浓度从进风侧至回风侧逐渐增大，进风到采面中部范围内瓦斯浓度变化不大，采面中部到回风上隅角瓦斯浓度增加较快，尤其是靠近回风侧30 m范围内瓦斯浓度较高，如图3所示。

表1 N1102工作面瓦斯浓度测定数据 单位：%

图3 切巷方向瓦斯浓度变化曲线图

1.3.2 工作面瓦斯浓度沿走向分布规律

图4为观测断面的瓦斯浓度分布曲线，随着距工作面距离的增加，瓦斯浓度呈现先升高、然后降低、再升高的分布规律，即存在一个瓦斯浓度的最低点，该点随着采面的不同位置有所不同，现场实测数据与理论分析一致。

图4 观测断面的瓦斯浓度分布曲线图

1.3.3 工作面瓦斯涌出的不均衡性

以上数据均为采面停止工作时测定，采煤机的位置会对瓦斯分布造成影响。当采煤机由进风侧向中部移动时，瓦斯涌出量较小，且会有一部分瓦斯漏入采空区；当采煤机继续向回风侧移动时，之前漏入采空区的瓦斯随风流涌出到工作面。经过现场实测，发现瓦斯在靠近回风侧30 m内容易积聚。原因是在此区间内采煤机会使断面减小，阻力增大，通过支架间隙漏入采空区的瓦斯会带着支架后方高浓度瓦斯快速返回工作面，造成瓦斯涌出量增大。根据观测表明：在此段工作时，易造成工作面瓦斯超限。

2 高抽巷抽采条件下采空区瓦斯运移规律

2.1 数值模型的建立

以余吾煤业N1102工作面采空区为原型，进行FLUENT数值模拟分析。考虑到模型的收敛性，将综放工作面采空区几何模型进行简化，且忽略工作面的周期来压、煤炭自燃、各种设备情况等，只考虑采空区漏风、高抽巷对采空区瓦斯分布的影响，模型基本参数见表2。

表2 模型的基本参数

网格划分为两部分，进回风巷、采煤工作面为volume1，采空区为volume2。网格划分以沿采空区走向方向、进回风巷方向、采煤工作面走向方向，网格间距均为2 m，沿高度方向网格间距为0.5 m，则高抽巷中volume1网格数为15 103个，volume2网格数为749 940个，共计76 983个，见图5。网格边界条件设置如下：进风巷设置为速度入口边界，回风巷设置为压力出口边界，高抽巷出口设置为压力出口边界，其他设置为壁面边界条件。

图5 高抽巷采空区物理模型

渗透率与瓦斯源项是采空区瓦斯运移数值模拟的关键参数。本文通过现场实测以及实验研究，确定模拟所需参数：

1) 确定渗透率。煤层开采后由于缺乏支撑，其上覆岩层会垮落下来，且具有一定规律。根据其呈现出来的特征，可在横向采空区将其划分为自燃堆积区、载荷影响区及重新压实区。

2) 确定瓦斯源项。综放工作面瓦斯涌出主要来源为煤壁、落煤的瓦斯涌出以及采空区瓦斯涌出。采空区的瓦斯涌出主要是采空区遗煤，因此将采空区瓦斯涌出看作为均匀分布，即将各种采空区瓦斯涌出源涌出的瓦斯平均到采空区各单位体积上；又因为采空区“竖三带、横三区”的碎胀系数的不同，这样采空区同一区域带内不同位置单位体积、单位时间瓦斯涌出量相等。

3) 确定边界条件。采用考虑浮力影响的Realizable K-ε模型，进口风速取3.43 m/s，多孔介质流动选择PRESTO格式，Second Order Upwind格式。

2.2 模拟结果分析

设定高抽巷与回风巷水平距离30 m、高抽巷距煤层顶板35 m条件下进行模拟，模拟结果如图6所示。

图6 高抽巷抽采条件下采空区瓦斯浓度分布图

从模拟结果可以看出，高抽巷作用范围很大，受高抽巷影响的采空区瓦斯浓度均有一定程度的降低，工作面瓦斯浓度下降明显，最高达0.6%。这是由于采用高抽巷后，采空区部分瓦斯通过高抽巷流走，逸出到工作面的瓦斯大量减小，使采煤工作面瓦斯浓度保持较低浓度。

3 高抽巷抽采效果实测分析

通过搜集整理高位抽采条件下工作面进回风巷高位钻场、千米钻机裂隙带钻孔和高抽巷等瓦斯抽采参数，部分参数如表3所示。

由表3可知，随着高抽巷开始起作用，工作面回风巷的高位钻孔也封闭关掉。随着工作面日产量由4 000 t增到12 316 t，工作面绝对瓦斯涌出量从33.43 m3/min增到44.77 m3/min，即随着工作面开采强度的增加，工作面瓦斯涌出量也随之增加。高抽巷的抽采纯量是原有回风巷的高位钻孔的4倍左右，为21.04 m3/min，抽采瓦斯量明显增加，可见高抽巷抽采对治理瓦斯作用很大。

表3 高位抽采和高抽巷抽采条件下部分实测参数

4 结 语

通过理论分析、数值模拟以及现场实测相结合的方法对余吾煤业N1102综放工作面采空区瓦斯运移规律进行研究，得出以下结论：

1) 通过现场检测结合理论分析，得知在工作面垂直方向上，近工作面采空区瓦斯浓度较低，随距工作面距离的增大，瓦斯浓度开始增高；在采空区深处，瓦斯浓度会保持不变；在竖直方向上，瓦斯受到浮升力的作用聚集到采空区顶板附近，使得顶板附近的瓦斯浓度高于底板附近的瓦斯浓度。

2) 基于现场数据，运用FLUENT数值模拟软件，结果显示：高抽巷作用范围较大，受高抽巷影响采空区瓦斯浓度有一定程度的降低，工作面瓦斯浓度下降明显。

3) 通过现场数据实测，验证了高抽巷的有效性，为实现采空区瓦斯高效抽采提供了数据基础。