周湘龙

(山西焦煤西山煤电 马兰矿，山西 古交 030200)

1 工程概况

西山煤电马兰矿18303工作面位于南一下组煤下山采区，工作面倾斜长度254 m，走向长度为1 980 m，开采8号煤层，煤层厚度为3.0～4.6 m，平均厚度为4.0 m，平均倾角为4°，煤层结构复杂，属稳定可采的厚煤层，工作面采用一次采全高采煤工艺进行回采作业，全部垮落法管理顶板，工作面采用“U”型通风系统，总配风量为2 188 m3/min，工作面的相对瓦斯涌出量为1.94 m3/t，绝对瓦斯涌出量为22.5 m3/t，回采期间瓦斯涌出的来源主要为本煤层瓦斯涌出、邻近层瓦斯涌出和采空区遗煤瓦斯涌出，现为有效治理工作面回采后采空区的瓦斯，特进行采空区瓦斯运移规律和抽采技术的研究。

2 采空区瓦斯分布规律

马兰矿目前回采工作面的瓦斯治理主要采用风排瓦斯+抽采相结合的模式，针对采空区的瓦斯治理主要采用高抽巷和埋管抽采的方式，为分析高抽巷和埋管抽采对采空区瓦斯分布规律的影响，现采用Fluent数值模拟软件进行不同抽采参数下瓦斯运移规律的分析，根据工作面地质条件建立工作面长度为290 m，走向长度为20 m，将工作面进风巷和回风巷两条巷道简化为4.8 m×3.2 m的长方形模型，将采空区拟合为梯台模型[1-2]，设置垮落带的高度为17.8 m，设置工作面进风巷的风速为3 m/s，工作面风流出口为自由出口。

1) 高抽巷对采空区瓦斯分布规律的影响。在采空区无抽采时和在距顶板垂直高度C=30 m、距离回风巷平距P=30 m的位置处，设置高抽巷时分别进行采空区瓦斯分布规律分析，模拟分析高抽巷抽采对采空区瓦斯浓度和流场的影响。根据数值模拟结果采空区瓦斯分布如图1所示。

分析图1可知，采用高抽巷进行抽采后，采空区回风侧的低瓦斯浓度区域范围明显增大，采空区顶板覆岩区域的瓦斯浓度出现较大幅度的降低；工作面上隅角区域在未进行瓦斯抽采时其瓦斯浓度达到8%，而采用高抽巷进行抽采后，上隅角瓦斯浓度降低至4%左右，瓦斯治理效果显著；另外根据数值模拟结果可知，高抽巷对采空区裂隙带的风流具有一定的引导作用，致使采空区裂隙带下部风流速度比上部风流速度大，采空区内的瓦斯在通风和高抽巷负压抽采下向外排出。

2) 埋管抽采对采空区瓦斯分布的影响。为研究工作面上隅角埋管抽采对采空区瓦斯分布的影响，埋管管路采用截面尺寸为0.5 m×0.5 m的正方形管路进行模拟，将抽采管路布置在回风巷距离顶板2.6 m的位置处，设置埋管的间距为10 m，并采用outflow命令进行设置[3]，根据模拟结果得出，工作面未抽采和采用埋管抽采后的瓦斯分布云图如图2所示。

图2 采空区无抽采和埋管抽采下瓦斯分布云图

分析图2可知，在回风侧采用埋管抽采的方式后，对工作面采空区垮落带的瓦斯流场会产生较大的影响，其中影响最为显著的区域为埋管附近瓦斯浓度和流场；采空区裂隙带的卸压瓦斯在风流的作用下逐渐向回风侧运移，进而通过上隅角的埋管抽采实现引导排出，降低工作面回风侧上隅角的瓦斯浓度为2%，将距离上隅角65 m位置处的瓦斯浓度降低至26%；通过上隅角埋管抽采，可实现采空区回风侧瓦斯的有效治理，保障工作面回采过程中不会出现上隅角瓦斯超限现象。

3 采空区瓦斯抽采技术

3.1 抽采方案

为有效设置高抽巷及上隅角埋管抽采的各项参数，基于上述采空区瓦斯运移规律的数值模型，分别进行高抽巷平距(与回风巷)P和垂距(与煤层顶板)C合理数值的模拟分析，数值模拟方案共计设置五组，分别为：(P，C)=(30，20)、(30，30)、(30，40)、(10，30)、(20，30)，并具体分别分析高抽巷在该五种布置方式下瓦斯抽采浓度、抽采纯量、工作面及上隅角浓度，数值模拟结果如表1所示。

表1 高抽巷不同布置参数下抽采情况

分析表1可知，当高抽巷的平距P=10 m时，工作面及上隅角区域的瓦斯浓度明显降低，且瓦斯浓度降低最显著的区域为回风侧，另外通过对比表中的数据能够看出在高抽巷的垂距C=30 m时，此时相比而言瓦斯抽采浓度和抽采纯量均相对较高；基于数值模拟结果，结合18303工作面的特征可知，在进行工作面抽采时，将高抽巷布置在与顶板30～40 m的位置，与回风巷10～20 m的位置处，此时的抽采效果较佳，既能够实现对采空区裂隙带内瓦斯的抽采，同时也能够有效控制工作面及上隅角的瓦斯浓度。

同理，为设置工作面埋管抽采的合理间距，设置4组模拟模型进行抽采效果的对比分析，分别设置埋管的间距为10 m、15 m、20 m、25 m，分析不同埋管间距下顶板高度回风侧瓦斯浓度数据，数值模拟结果如图3。

图3 顶板高度回风侧瓦斯浓度曲线

分析图3可知，在埋管间距为10 m时，回风侧瓦斯浓度在距离工作面-80～-180 m的范围开始出现下降的趋势，且在距离工作面-80～-50 m区域呈现出快速下降的趋势，在该中埋管间距下，抽采半径重合区域较多，抽采负压作用无法有效实现，进而会致使抽采立管与风流之间容易形成涡流影响抽采[4-5]；在抽采间距为20 m时，此时在埋管抽采作用下，回风侧瓦斯浓度变化曲线基本与上述相同，但该种抽采方式下，回风侧的瓦斯浓度均相对较低，采空区回风侧180 m范围内瓦斯浓度最大值仅为28%，工作面上隅角瓦斯浓度为2.6%；随着抽采间距的进一步增大，采空区回风侧的瓦斯浓度呈现出较大程度的增大，已无法实现对工作面上隅角瓦斯的目的；基于上述分析确定埋管抽采的合理间距为20 m。

根据上述数值模拟结果，结合工作面特征，设置18303工作面高抽巷内错回风巷17 m，与煤层顶板的垂直距离为36 m，巷内埋设3趟D800 mm的抽采管路，其中两趟连接地面抽采泵站，一趟抽采用于外排，高抽巷布置形式如图4所示。

图4 高抽巷布置位置示意

在工作面回风巷道上隅角位置处，沿巷帮在距离底板0.5 m的高度处铺设一趟D400 mm的抽采管路，并每间隔20 m布置一趟三通，随着工作面回采作业的进行，在工作面与最近三通之间的距离为10 m时，将瓦斯抽采器与三通连接，抽采管路顶板垂直插入煤层顶板0.3 m[6]，设置与回风巷外帮的平距为0.2 m，每间隔20 m布置一个瓦斯抽采器，具体采空区埋管抽采方式如图5。

3.2 效果分析

在18303工作面采用高抽巷和埋管抽采时，分别对其瓦斯抽采浓度和抽采流量进行监测，并在抽采方案实施后对上隅角区域的瓦斯进行持续测试，高抽巷抽采效果及上隅角瓦斯浓度曲线如图6。

图6 高抽巷抽采浓度及上隅角瓦斯浓度曲线

分析图6(a)可知，在工作面回采0～20 m时瓦斯抽采浓度基本为零，这是由于此时采空区顶板并未垮落，高抽巷与采空区之间未实现有效的贯通，在工作面推进21 m后，此时高抽巷的抽采浓度便开始逐渐增大，最大抽采浓度达到27.5%，最大抽采纯量为24.38 m3/min；分析图6(b)可知，抽采方案实施后，工作面推进40 m后，此时高抽巷与埋管抽采均正常运行，上隅角瓦斯浓度最大为0.8%左右，有效解决了上隅角瓦斯含量大的问题。

4 结 语

根据18303工作面特征，通过数值模拟分析高抽巷与上隅角埋管抽采对采空区瓦斯运移规律的影响，进一步通过数值模拟确定高抽巷合理的布置位置及上隅角埋管的合理间距，结合工作面条件确定抽采方案，通过抽采监测分析及瓦斯浓度测试，抽采方案实现了对采空区瓦斯的有效抽采，为工作面的安全回采提供了保障。