鎮城底礦采空區瓦斯涌出異常原因分析及防治措施

王志忠

（山西焦煤西山煤電鎮城底礦，山西 太原 030053）

0 引言

綜合機械化開采方式由于開采強度大形成大面積的采空區，冒落的煤巖中涌出的瓦斯大量進入到工作面，導致上隅角瓦斯超限時有發生，嚴重制約著煤礦安全高效生產。隨著工作面的推進，在采空區內部，氣體流動表現為滲流形式，使得許多回采之后采空區涌入大量卸壓瓦斯氣體，高濃度瓦斯推進過程中受到頂板周期垮落、工作面漏風、大氣壓力等要素的影響，形成回風隅角、工作面瓦斯涌出，造成安全隱患。為了解決瓦斯涌出問題，此前較多學者進行了一定的研究。本文以鎮城底礦22210 工作面為工程背景，對瓦斯異常涌出進行防治研究，為礦井安全開采做出一定的貢獻[1]。

1 礦井概況

鎮城底礦位于西山煤田西北處，井田面積約16.63 km2，礦井東西走向6.6 km，南北走向3.6 km，年設計生產能力為190 萬t。22210 綜采工作面回采中，共計出現瓦斯濃度（瓦斯濃度為瓦斯體積分數，全文相同）超限報警94 次，最大報警值為2.51%，平均報警值1.19%，生產中回風隅角瓦斯聚集高達4%以上?？紤]到礦井為低瓦斯礦井，但由于煤層不均勻分布的特點，使得在采空區頂板垮落后，會存在大量高濃度瓦斯涌入回采工作面的情況，導致工作面局部瓦斯積聚，發生預警，所以充分把握采空區低瓦斯異常涌出規律，并對瓦斯防治非常關鍵。

2 數值模擬構建

鎮城底礦采用FLUENT 數值模擬軟件對瓦斯涌出規律進行一定的研究，考慮到采空區冒落矸石較多，推進過程中，破碎煤巖體在上覆巖層壓力作用下，使之結構不斷變形，在此過程中存在多個物理場的影響，主要影響的物理場為應力場、滲流場、濃度場等，所以數值模擬研究需要充分考慮耦合規律。本文采用COMSO 數值模擬軟件，其屬于一款大型數值仿真軟件，能夠解決多場耦合運算，同時其建模過程較為簡單，能夠通過軟件外接軟件進行模型的設定及導入，降低科研工作者應用門檻。

以22210 工作面為研究背景，對工作面和采空區進行建模，在建模過程中考慮到4 號煤層的傾角較小，所以在進行模擬的過程中，將其看成水平煤層，從而得到簡化模型，建立采空區破碎煤巖體流固耦合模型，進行破碎煤巖體多場分布規律分析。建立的模型為二維模型，其模型長度和寬度分別為250 m、180 m，對模型進行網格劃分，網格劃分時，考慮到模型的計算效率，所以適當的進行一定的粗化分，在完成模型網格劃分后對模型的邊界條件進行設定，在模型的上端面施加垂直向下的均布荷載，荷載大小為上覆巖層地應為14.2 MPa。對模型的參數進行設定，泊松比為0.42，破碎煤巖體的密度為1 340 g/m3，初始的孔隙壓力及孔隙率分別為2 MPa 和0.38，骨架黏聚力為5 MPa，完成模型建立后對模型進行計算，首先對采空區滲透率的分布規律進行研究，模擬結果圖如1 所示。

由圖1 可以看出，模擬結果準備整體呈現為O型，與采動裂隙分布理論相對應，驗證了模擬的正確性?？梢钥闯?，在工作面剛開始回采時，此時在頂板上覆巖層垮落堆積于采空區，采空區中部位置煤巖體裂隙、孔隙進一步發育，空隙率及滲透率快速增大。持續進行回采推進，此時冒落煤巖體大量增大，上部垮落巖層進一步充填破碎煤巖，此時滲透率降到最低，回采一段距離后，此時的中部區域煤巖體逐漸被壓實，滲透率達到模擬的最低值，在采空區其他區域與中部有著明顯的不同，在采空區其他區域由于煤壁的支撐使得仍保持一定的透氣性，整體分析來說，其是較穩定的裂隙發育區域，在此區域瓦斯能夠有效的流動，降低瓦斯富集的趨勢。

圖1 采空區滲透率的分布規律圖

圖2 采空區立管群布置示意圖

對工作面不同風速下采空區的氧氣濃度進行模擬，工作面風速設定為0.5 m/s、1.0 m/s 和2.0 m/s。氧氣在流過工作面時，此時一部分從進風隅角向采空區的內部進行擴散，而另一部分氧氣則會從進風隅角向回風隅角方向發生一定的運移，同時不同的風速直接影響到采空區氧氣濃度的分布。根據研究可知，采空區內外的氣體濃度差會使得氧氣從進風隅角處向著采空區深部進行一定的擴展，而在風速較小時雖然氧同樣可以擴散至采空區，但運移擴散效果受到一定的限制，由于風速小，所以氧氣不能擴散至深部，而當風速增大時，此時的氧氣擴散至采空區深部，同時擴散范圍增大，風速越大現象越明顯[2]。

對工作面不同風速下采空區的瓦斯濃度分布情況進行模擬，工作面風速同樣設定為0.5 m/s、1.0 m/s和2.0 m/s。在不同風速下，此時采空區內部在距離工作面較近時呈現出的瓦斯濃度較低，隨著往采空區內部推移，瓦斯濃度發生增大的趨勢，這是由于在進行通風過程中，部分通風量會對工作面的瓦斯進行沖釋，使之瓦斯濃度降低，同時在風流入口位置的瓦斯濃度最低。而隨著風流的持續運動，此時部分風流從進風側漏入采空區中，風流作用下，瓦斯在破碎煤體不斷擴散，部分瓦斯向采空區回風側的深部進行遷移，而另一部分瓦斯則從回風巷道排出，所以最終導致靠近回風巷以及上隅角的位置瓦斯較高的原因。

通過以上分析可以看出，風速較小時，此時的采空區內部瓦斯濃度偏高。而增大風速，此時部分瓦斯被吹至采空區深處，形成內部瓦斯濃度積聚。雖然加大風速能夠將部分瓦斯驅散，但漏風量易把采空區的瓦斯帶至工作面，導致上隅角瓦斯濃度偏高，所以單純依靠風流作用不足以降低工作面上隅角瓦斯聚集問題，加以相關治理手段[3]。

3 瓦斯防治技術研究

在風速2 m/s 下，配合立埋管群的方法進行瓦斯治理，此前工作面抽采采用ZWY270/355 型移動瓦斯抽采泵站，抽氣量最大值為270 m3/min，采用立埋管群進行高負壓式抽采，

為了避免管路埋入后與矸石發生碰撞形成火星，所以管路材質使用PE 管，PE 管的內徑選擇300 mm的PE 管路，根據進口風速流速設定單個預埋立管的篩孔數為140 個，取抽采器的高度設定距離底板2.2 m，采空區立管群布置示意圖如2 所示。

在進行采空區立埋管群措施后，對瓦斯抽采濃度進行檢測，抽采60 d 后，抽采的瓦斯濃度增大了30%，抽采期間對上隅角瓦斯濃度如圖3 所示。

圖3 抽采期間對上隅角瓦斯濃度曲線

由圖3 可以看出，隨著工作面的推進，在立管前端埋入采空區后，此時立管深入采空區10 m 開始抽采，隨著推進距離的不斷增加，上隅角瓦斯濃度呈現大幅下降趨勢，能夠滿足規定的1%界限值，所以立埋管群措施能夠解決工作面上隅角瓦斯積聚、超限的問題，治理方案有效。

4 結論

1）隨著工作面的持續推進，冒落煤巖體在上部巖層垮落下進一步充填破碎煤巖，煤巖體逐漸被壓實，滲透率達到最低值，瓦斯產生一定的聚集。

2）風速較小時，此時的采空區內部瓦斯濃度偏高。而增大風速，此時部分瓦斯被吹至采空區深處，形成內部瓦斯濃度積聚。

3）在合理風速2 m/s 下，配合立埋管群的方法進行瓦斯治理，隨著推進距離的不斷增加，上隅角瓦斯濃度呈現大幅下降趨勢，有效解決了工作面上隅角瓦斯積聚、超限的問題。