郭鹏程

（山西阳城皇城相府集团史山煤业有限公司，山西 晋城048102）

井下瓦斯是常见影响矿井安全生产的灾害之一，具有突发性强、危险性高的特点，历年来，我国都会发生数起煤矿瓦斯事故。同时，数据显示，在我国国有重点煤矿中，高突矿井（高瓦斯与突出矿井）约占总数的49.8%，随着采深的增加和综采技术的推进，煤炭资源在生产过程中瓦斯涌出量显著增加，严重地制约着企业的生产安全[1-2]。

在对高瓦斯煤层进行开采时，除了加强通风管理外，还须建立完善的瓦斯抽采系统，并对上隅角、采空区、工作面等重点区域进行有针对性的抽采。同时，部分高瓦斯煤层也同为自燃煤层，在国内因利用顶板巷瓦斯抽采造成采空区遗煤自燃的案例时有发生，如山西石港矿井下综采工作面采空区在顶板巷抽采条件下，引发煤炭自燃，进而导致瓦斯燃烧事故。因此在抽采系统选择时，一定要进行全面的判断分析[3]。

1 矿井概况

史山煤业隶属于山西阳城皇城相府集团，位于晋城市阳城县，可采煤层为3号、15号煤层，生产能力为90万t/a。经瓦斯等级鉴定批复，山西阳城皇城相府集团史山煤业有限公司（全文简称史山煤业）属于高瓦斯矿井。

1.1 瓦斯抽采系统

史山煤业根据最新编制完成的瓦斯抽采工程设计，已在地面建立有完整的瓦斯抽系统，主要设备包括：2台电机功率达到400 kW水环式真空泵，一用一备；抽采主管为Φ508 mm×6 mm螺旋钢管，支管为Φ325 mm×6 mm螺旋钢管。

1.2 采空区瓦斯

在矿井生产初期，需对3号、9号进行配采，矿井最大绝对瓦斯涌出量达19.97 m3/min；至生产后期，需对9号煤层进行单独开采，矿井最大绝对瓦斯涌出量达17.85 m3/min（见表1），全矿井的瓦斯涌出量在配采和单采阶段相关不大，分别为19.97 m3/min和17.85 m3/min，两个阶段采空区瓦斯涌出量分别为6.11 m3/min和6.43 m3/min，分别占总涌出量的30.06%和36.02%。从涌出量占比方面可以看出，采空区瓦斯的抽采成功与否，将是史山煤业瓦斯治理工作的重点。在采掘过程中，开采煤层的邻近煤层受采动影响，赋存瓦斯将向所采煤层采空区涌入，采空区所聚集的大量瓦斯又涌向回采工作面。因此，对采空区及与工作面交界处的瓦斯进行有效抽采十分必要。

表1 史山煤业最大绝对瓦斯涌出量及占比

2 采空区数值模拟

CFD数值模拟是有效的工程技术应用手段，可以对复杂工程问题进行针对性的分析和预测，同时可以为企业降低一定的经营成本。笔者将利用CFD软件对采空区进行建模，并根据不同工况下流体（瓦斯、氧气等）流场、压力场、速度场、浓度的分布，分析采空区瓦斯治理的具体措施，为井下瓦斯治理提供理论参考依据[4]。

2.1 采空区模型的建立与分析

井下采空区内瓦斯涌出形式复杂，而影响其涌出的主要因素包括通风强度、瓦斯涌出速率、采空区内部环境等。笔者选取史山煤业9号煤保护层作为研究对象，通过建立3 d模拟图形进行数值计算，以示意图剖面的形式对工作面的采空区瓦斯流动特征及分布规律进行展示。

史山煤业目前采用负压U型通风，在进行模拟前，需使用ANSYS ICEM CFD网格处理软件来对综采工作面与采空区模块进行物理模型的构建与网格划分。如图1所示，建模完成网格数总计29 000个，工作面长×宽×高=210 m×50 m×2.5 m。巷道进风侧的边界点为模拟原点，X轴正方向为采空区内部，Y轴正方向微工作面风流方向，沿顶板方向为Z轴正方向，瓦斯涌出量设置为20 m3/min。网格成功生成后导入Fluent6.0进行模拟计算。

图1 工作面CFD模型网格划分

2.2 采空区流场分布规律

采空区气体运移的趋势和瓦斯浓度的分布受流场压力影响较大，对此正常开采下进行模拟分析。如图2，风流在流经工作面时，压力呈不均匀分布，这是由于进回风巷道间风压差的作用会向采空区内部漏风。

图2 采空区开采水平压力分布图

如图3，风流进入工作面后，进风巷的漏风量远超回风巷，风流将受惯性力的影响由进风巷向采空区深部渗透。随着采空区深度的增加，漏风量与风速降低将逐渐降低，此时需在工作面与采空区交接处设置风流引导装置，减少采空区漏风量并确保风量充足。

2.3 采场瓦斯一般分布规律

图4 为采空区瓦斯浓度分布，瓦斯大量聚集于采空区深部位置，从回风巷上隅角涌出，受通风风压的作用，瓦斯浓度在进回风两侧呈规律性分布。结合图2与图3，由于矿井采用U型通风，回风巷上隅角为低风压位置，风流将在此处汇聚并扩散，该区域长期处于紊流状态，因此对于局部瓦斯的控制是瓦斯治理的难点。

图3 采空区漏风速度分布

图4 采场瓦斯浓度等值线分布图

3 瓦斯抽采

3.1 抽采方法的确定

笔者根据史山煤业实际条件和现有系统，采用工作面顶板高位穿层钻孔、上隅角插管及采空区抽采的方法进行重点区域的瓦斯治理，目前，抽采设备、抽采管路状态良好，具备继续使用的条件[5]。

9号煤回采工作面采用顶板高位穿层钻孔抽采工作面瓦斯，同时，进行矿井采空区瓦斯抽采，抽采位置、钻孔参数设置如下：钻孔位置：工作面回风巷内；钻场间距：40 m；钻场钻孔数：8个开孔直径：Φ114 mm；终孔直径：Φ94 mm；钻孔角度：上仰10°～25°；钻孔夹角：与巷道中线成扇形布置；钻孔长度：100 m；封孔方式：囊袋式注浆封孔；封孔长度：大于8 m。瓦斯钻孔布置见下页图5。

如CFD模拟所示，回风侧局部区域所出现的风流紊乱将会造成瓦斯抽采困难，采空区与煤壁所释放的瓦斯会经过回风巷进入总风流中，极易造成上隅角瓦斯浓度的超限。据此笔者在回采工作面结束后，利用闭墙插管抽采采空区瓦斯。瓦斯浓度大小虽得以控制，但波动性强，因此在插管与主管连接处必须设阀门，节流孔板和浓度检测口，以便于及时检测抽出的瓦斯浓度、流量。

图5 瓦斯抽采钻孔布置图

3.2 瓦斯抽采量预计

9号煤回采工作面采用顶板高位穿层钻孔进行邻近层的抽采，同时采用沿空埋/插管对上隅角瓦斯进行抽采。根据抽采瓦斯经验计算，邻近层瓦斯抽出率可达60%。按此计算，9号煤回采工作面邻近层瓦斯涌出量为：5.32 m3/min，则瓦斯抽采量预计为：Q抽=5.32 m3/min×60%=3.19 m3/min；9号煤回采工作面，根据邻近矿井抽采效果，瓦斯抽采量可达1.0 m3/min。因此9号煤回采工作面瓦斯抽采总量Q抽=3.19 m3/min+1.0 m3/min=4.2 m3/min。

根据抽采经验，矿井采用闭墙插管法的瓦斯抽采率一般为20%，史山煤业采空区瓦斯涌出量为6.43 m3/min；据此计算矿井采空区瓦斯抽采量为：Q抽=6.43 m3/min×20%=1.3 m3/min。

4 效果检验

通过多钻井联合抽采的使用，史山煤业9号煤层工作面采空区深部与上隅角的瓦斯含量明显降低。当工作面抽采量达到4.19 m3/min时，上隅角瓦斯浓度基本控制在1%以内，符合煤矿安全规定。此时需要注意的是不可随意加大或减小瓦斯抽采量，抽采流量的增大同样会使得采空区漏风范围扩大，采空区深部氧气侵入与富氧带区域扩展很可能会引发采空区遗煤自燃等其它事故隐患。

5 结语

1）利用CFD数值模拟软件对史山煤业9号煤层工作面采空区风流和瓦斯浓度分布分析后发现，漏风量与风速随采空区深度的增加而逐渐降低，导致瓦斯大量聚集于采空区深部，主要从回风巷上隅角涌出。因此需提高工作面风量，并对回风巷上隅角进行重点治理。

2）根据史山煤业实际条件和现有系统，采用工作面顶板高位穿层钻孔、上隅角插管及采空区抽采的方法进行重点区域的瓦斯治理。经计算，9号煤回采工作面瓦斯抽采总量预计可达4.2 m3/min，采空区瓦斯抽采量可达1.3 m3/min。

3）经过合理抽采后，上隅角瓦斯浓度基本控制在1%以内，符合煤矿安全规定，此时需要注意控制瓦斯抽采量的大小，不可随意增减。