高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的模擬與實(shí)踐*（煤炭）
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高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的模擬與實(shí)踐*（煤炭）
李 佳 熊曉峰 張 煜 劉 鈺 代雙成
（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083）
摘 要 為了研究高位鉆孔抽采效果，以曙光礦1208工作面為背景建立采空區(qū)瓦斯運(yùn)移模型，使用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)抽采前后工作面及采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：抽采前工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确謩e達(dá)到1. 2%和1.3%；抽采后，上隅角瓦斯?jié)舛葹?/font>0. 68%，工作面瓦斯?jié)舛染S持在0.6%左右，鉆孔周圍和工作面附近形成了低瓦斯?jié)舛葞�，證明高位鉆孔能有效抽采采空區(qū)瓦斯。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐，實(shí)測1208工作面和上隅角瓦斯?jié)舛确謩e在0. 2%和0.4%上下波動(dòng)，工作面瓦斯?jié)舛鹊玫接行Э刂啤?/font>
關(guān)鍵詞 高位鉆孔 瓦斯抽采數(shù)值模擬 上隅角 瓦斯?jié)舛?/font>
中圖分類號(hào) TD712.6
隨著礦井開采向深部發(fā)展和工作面產(chǎn)量的增加，工作面瓦斯涌出量也隨著增加，只使用傳統(tǒng)風(fēng)排手段已不能有效治理工作面瓦斯，為了控制工作面尤其是上隅角瓦斯?jié)舛�，保證工作面安全生產(chǎn)，需要采取合理的瓦斯抽采措施。
目前，瓦斯抽采理論和方法逐漸完善，針對(duì)單一煤層的瓦斯抽采方法主要有采前預(yù)抽和隨采隨抽，采前預(yù)抽方法主要有煤層順層鉆孔抽采和地面鉆孔抽采，隨采隨抽方法主要有高位鉆孔抽采和走向高抽巷抽采。筆者針對(duì)高位鉆孔瓦斯抽采效果使用FLUENT數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究，并在曙光礦1208工作面進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐。
1 工程背景
曙光礦隸屬于山西省汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，礦井采用走向長壁后退式開采，全部垮落法管理頂板，主采2#、3#煤層。1208工作面開采2#煤層，煤層平均厚度3.0 m，結(jié)構(gòu)簡單，大部分穩(wěn)定可采，工作面長120 m，絕對(duì)瓦斯涌出量為5. 56 m3／min，煤層透氣性系數(shù)0. 725538m2／(MPa2．d)，煤層鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)0. 38545 d-1，屬于較難抽采煤層。根據(jù)相鄰1210工作面在回采期間的瓦斯涌出情況及涌出規(guī)律，預(yù)計(jì)1208工作面本煤層瓦斯涌出量約占工作面總涌出量的15%左右，采空區(qū)瓦斯涌出量約占85%。根據(jù)要求，絕對(duì)瓦斯涌出量大于5 m3／min或者用通風(fēng)方法解決瓦斯問題不合理的采煤工作面必須完善瓦斯抽采系統(tǒng)，故在回采過程中需進(jìn)行瓦斯抽采。
2采空區(qū)瓦斯運(yùn)移的控制方程
瓦斯在采空區(qū)中的流動(dòng)屬于低速流動(dòng)，由于其流動(dòng)速度較低，且不考慮熱交換，故將其視為定常不可壓絕熱流動(dòng)。將采空區(qū)視為多孔介質(zhì)，采空區(qū)內(nèi)的氣體流動(dòng)過程遵守質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述就是控制方程，方程組的具體形式如下。
質(zhì)量守恒方程：
其中式(1)是質(zhì)量守恒方程即連續(xù)性方程，式(2)是動(dòng)量守恒方程即N-S方程，由于不考
慮采空區(qū)氣體的熱交換故而省略能量守恒方程。
3曙光礦1208工作面的數(shù)值模擬
3.1 高位抽采鉆孔位置的確定
根據(jù)計(jì)算垮落帶和裂隙帶的經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合1208工作面頂板巖層條件，選用中硬巖層計(jì)算公式。
垮落帶：
將曙光礦1208工作面煤層厚度3m代人式(3)、(4)，得垮落帶高度為(11.9±2.2)m，取14 m;裂隙帶高度為(35.7±5.6)m，取31 m。
根據(jù)計(jì)算得出的垮落帶與裂隙帶高度，在1208工作面裂隙帶中布置高位、中位、低位走向抽采鉆孔各3個(gè)，終孔高度分別為30 m、24 m、18 m，終孔位置距回風(fēng)巷頂板水平距離分別為20m、15 m、10 m。
3.2 計(jì)算模型的建立
以1208工作面為背景，根據(jù)采空區(qū)劃分的上三帶和橫三區(qū)理論建立的采空區(qū)模型尺寸360 m×120 m×31 m（長×寬×高），進(jìn)回風(fēng)巷道尺寸為20 m×4m×2.5 m（長×寬×高），工作面尺寸為120 m×3m×3m（長×寬×高）。鉆孔直徑100 mm，為簡化建模過程，鉆孔確定終孔位置后水平布置，終孔位置由前述計(jì)算結(jié)果得出。模型原點(diǎn)為進(jìn)風(fēng)巷底面與工作面底面與進(jìn)風(fēng)巷模型邊界面交點(diǎn)，沿進(jìn)風(fēng)方向?yàn)?/font>X軸正方向，沿工作面風(fēng)流方向?yàn)?/font>y軸正方向，沿豎直方向?yàn)?/font>Z軸正方向，建立坐標(biāo)系，如圖1所示。
建立的采空區(qū)模型在Z軸正方向上為垮落帶高度14 m，裂隙帶高度31 m，在X軸正方向上為自然堆積區(qū)20 m、載荷影響區(qū)100 m、壓實(shí)穩(wěn)定區(qū)240 m。采空區(qū)視為多孔介質(zhì)，由于采空區(qū)深部垮落的巖石被逐漸壓實(shí)，因而孔隙率由坐標(biāo)原點(diǎn)向X軸正方向和Z軸正方向逐漸減小，各區(qū)域孔隙率見表1。
1208工作面本煤層瓦斯涌出量約占工作面總涌出量的15%左右，采空區(qū)瓦斯涌出量約占總涌出量的85%，其中本煤層瓦斯涌出量取5. 56m 3／min，1208工作面瓦斯涌出源項(xiàng)為5.4×10-6 kg/ (m3．s)。采空區(qū)瓦斯涌出量取31.5m 3／min，采空區(qū)各部分瓦斯涌出源項(xiàng)見表2。
進(jìn)風(fēng)巷為速度入口，風(fēng)速為2 m/s，回風(fēng)巷為自由流出。鉆孔入口為壓力入口，出口為壓力出口，抽采負(fù)壓35 k Pa。
3.3 模擬結(jié)果分析
將抽采前后工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律進(jìn)行對(duì)比，分析高位鉆孔抽采前后采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律及抽采效果。在采空區(qū)內(nèi)取Z=0.5 m、15 m、30 m的3個(gè)截面，通過處理獲得抽采前后
3個(gè)截面上瓦斯?jié)舛确植�，并進(jìn)行了對(duì)比分析。
圖2是抽采前后工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植冀孛鎴D(Z=0.5m)，從圖中可以看出，抽采前后采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布均呈現(xiàn)沿走向由工作面向采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛戎饾u增高的規(guī)律，這是由于鄰近工作面采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石孔隙空間較大，漏風(fēng)流速較高，其中的瓦斯稀釋和運(yùn)移程度較高，而采空區(qū)深部巖石被壓實(shí)，孔隙率、滲透率逐漸減小，工作面漏風(fēng)風(fēng)流不能對(duì)其產(chǎn)生影響，遺煤釋放的瓦斯得到聚集，使得其內(nèi)的瓦斯?jié)舛容^高；抽采前，采空區(qū)內(nèi)高濃度瓦斯距離工作面較近，高濃度瓦斯在漏風(fēng)風(fēng)流的作用下被帶向工作面上隅角附近并涌出，工作面上隅角和回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛确謩e達(dá)到1. 2%和1. 3%，導(dǎo)致上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛却笥凇睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定的1%的安全生產(chǎn)上限；抽采后，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛却蠓档停诔椴韶?fù)壓作用下，工作面附近的高濃度瓦斯被抽出，使得涌人工作面的瓦斯量減少，工作面瓦斯?jié)舛冉档�。工作面上隅角和回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛确謩e為0. 62%和0.68%，工作面瓦斯?jié)舛仍?/font>0. 6%左右，均未超限。
圖3是在模型豎直方向上取Z=0.5 m、15 m、30 m的3個(gè)截面得出抽采前后工作面及采
空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紙D。由圖3中可以看出，抽采前，工作面漏風(fēng)風(fēng)流僅能影響較小的范圍，在漏風(fēng)流的作用下，鄰近工作面處采空區(qū)內(nèi)瓦斯被壓向采空區(qū)深部，部分瓦斯被漏風(fēng)流帶人工作面，采空區(qū)深部及裂隙帶內(nèi)瓦斯基本不受工作面漏風(fēng)風(fēng)流影響，由于瓦斯的升浮效應(yīng)使得裂隙帶內(nèi)的瓦斯?jié)舛茸罡�；抽采后，工作面及采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛冉档�，在鉆孔抽采負(fù)壓的作用下，原本涌人到工作面上隅角的瓦斯被抽出，使得工作面瓦斯?jié)舛冉档汀ｃ@孔周圍采空區(qū)內(nèi)的瓦斯被不斷抽走，抽采負(fù)壓使采空區(qū)深部瓦斯流向鉆孔并被抽出。相比于抽采前，鄰近工作面采空區(qū)和鉆孔附近形成了一個(gè)低濃度瓦斯帶，說明抽采鉆孔可以有效地抽采采空區(qū)瓦斯，減少向工作面的涌出。
在x =3.5 m、y=198 m（采空區(qū)內(nèi)靠近上隅角）處取一條豎直線，將抽采前后直線上瓦斯?jié)舛确植祭L制成如圖4所示曲線。
由圖4可知，抽采前，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛入S高度增加而增加，垮落帶內(nèi)瓦斯受漏風(fēng)風(fēng)流和升浮效應(yīng)影響瓦斯?jié)舛容^低，裂隙帶內(nèi)瓦斯?jié)舛茸罡撸_(dá)65.6%；抽采后，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛却篌w上隨高度增加而增加，但距底板高度20m以下時(shí)瓦斯?jié)舛容^低，只有0. 6%左右，這主要是由于鉆孔將采空區(qū)上部裂隙帶內(nèi)的瓦斯抽出，使得采空區(qū)中下部瓦斯上浮至裂隙帶內(nèi)鉆孔周圍；抽采后裂隙帶內(nèi)瓦斯?jié)舛茸罡咧挥?/font>23.3%；抽采后采空區(qū)靠近工作面處瓦斯?jié)舛却蠓档停煽諈^(qū)底板至鉆孔附近形成了低瓦斯?jié)舛葞�，高位鉆孔抽采效果顯著。
4現(xiàn)場應(yīng)用
4.1 抽采參數(shù)
1208材料巷全長1973 m，每60 m布置一個(gè)鉆場，共計(jì)26個(gè)，鉆場長4m，寬4m，高度與巷道高度相同。為提高工作面的瓦斯抽采效果，確保工作面的安全生產(chǎn)，頂板高位鉆孔在鉆場內(nèi)呈扇形布置（即朝工作面切眼方向），鉆場內(nèi)施工9個(gè)裂隙帶鉆孔，每個(gè)鉆場內(nèi)布置高位裂隙帶鉆孔、中位裂隙帶孔、低位裂隙帶孔各3個(gè)，高位裂隙帶、中位裂隙帶、低位裂隙帶鉆孔終孔高度分別為30m、24 m、18 m，鉆孔深度分別為136 m、134 m、132 m，水平為上隅角向工作面方向覆蓋20 m范圍。鉆場、鉆孔布置形式如圖5所示，鉆孔參數(shù)見表3。
4.2抽采效果分析
為檢驗(yàn)高位鉆孔抽采效果，從2014年7月31日起在1208工作面進(jìn)行了為期一個(gè)月的監(jiān)測，將數(shù)據(jù)整理成如圖6所示的工作面瓦斯?jié)舛惹�。
由于工作面開采伴隨著周期來壓，而周期來壓必然會(huì)導(dǎo)致工作面瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)波動(dòng)，因而工作面瓦斯?jié)舛仁冀K處于動(dòng)態(tài)變化中。由圖6可知，監(jiān)測初期，工作面可能受周期來壓影響，瓦斯?jié)舛容^高，且波動(dòng)幅度較大，期間上隅角瓦斯?jié)舛茸罡邽?/font>0. 48%，回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸罡邽?/font>0.36%，工作面瓦斯?jié)舛茸罡邽?/font>0. 34%。監(jiān)測后期工作面瓦斯?jié)舛融呌诜�(wěn)定并在0. 2%上下波動(dòng)。
整個(gè)監(jiān)測周期內(nèi)，工作面瓦斯?jié)舛染尸F(xiàn)出由進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛戎饾u增高的規(guī)律，且上隅角瓦斯?jié)舛茸罡摺?shí)測上隅角瓦斯?jié)舛仍?/font>0. 4%上下波動(dòng)。通過高位鉆孔瓦斯抽采，1208工作面與材料巷瓦斯?jié)舛仁冀K控制在1%以下，上隅角也始終未超限，高位鉆孔抽采瓦斯能有效控制工作面瓦斯?jié)舛取?/font>
5結(jié)論
(1)使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到1208工作面垮落帶和裂隙帶高度分別為14 m、31 m，確定了高位鉆孔的終孔位置。
(2)通過FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)1208工作面抽采前后工作面及采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行模擬，結(jié)果表明，抽采后工作面及上隅角瓦斯?jié)舛鹊玫接行Э刂疲煽諈^(qū)瓦斯?jié)舛纫啻蠓档�，高位鉆孔抽采效果顯著。
(3)在1208工作面布置了抽采鉆場并進(jìn)行了為期一個(gè)月的工作面瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測，結(jié)果表明，工作面瓦斯?jié)舛融呌诜�(wěn)定后在0.2%上下波動(dòng)，上隅角瓦斯?jié)舛仍?/font>0. 4%上下波動(dòng)，高位鉆孔能有效治理工作面上隅角瓦斯超限問題。
