回采工作面采空区插管抽采参数优化.pdf

收稿日期２０１９－１０－０８作者简介潘吉成（１９８６），男，辽宁大连人，２０１０年毕业于辽宁工程技术大学安全工程专业，工程师，现从事煤矿“ 一通三防” 方面的管理工作。回采工作面采空区插管抽采参数优化潘吉成（神东煤炭集团布尔台煤矿，内蒙古鄂尔多斯０１７０００）摘要为优化回采工作面采空区插管参数，针对布尔台煤矿采用的联巷插管或煤柱大直径钻孔桥接采空区的回采工作面采空区瓦斯治理措施，采用ＦＬＵＥＮＴ软件进行了数值模拟分析。结合４２２０１综放工作面瓦斯抽采方式及抽采参数为基础数据，对采场瓦斯分布规律及采空区插管间距、插管管径、插管深度、抽采负压等插管抽采参数进行模拟。获得了不同抽采参数状态下的运移规律和瓦斯抽采效果，进而确定了采空区插管的插管间距布置为６０ｍ、抽采负压保持在１０～２０ｋＰａ、主辅进风比为１．５ ∶ １～３ ∶ １等最优技术参数。关键词瓦斯抽采；联巷插管；瓦斯分布规律；插管参数；ＦＬＵＥＮＴ中图分类号ＴＤ７１２．６文献标志码Ｂ文章编号１６７１－７４９Ｘ（２０２０）０３－０００７－０６ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｇｏａｆｉｎｔｕｂａｔｉｏｎｉｎｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅＰＡＮＪｉ  ｃｈｅｎｇ（ＢｕｅｒｔａｉＣｏａｌＭｉｎｅ，ＳｈｅｎｄｏｎｇＣｏａｌＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｏｒｄｏｓ０１７０００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｏｒｄｅｒｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｇｏａｆｉｎｔｕｂａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅ，ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｇｏａｆｇａｓｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓ  ｕｒｅｓｏｆｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏａｄｗａｙｉｎｔｕｂａｔｉｏｎｏｒｔｈｅｌａｒｇｅ  ｄｉａｍｅｔｅｒｂｏｒｅｈｏｌｅｉｎＢｕｅｒｔａｉＣｏａｌＭｉｎｅ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａ  ｎａｌｙｓｉｓｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＦＬＵＥＮＴｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅ  ｔｅｒｓｉｎＮｏ．４２２０１ｆｕｌｌｙｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃａｖｉｎｇｆａｃｅ，ｔｈｅｇａｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｌａｗｉｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅａｎｄｔｈｅｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈａｓｔｈｅｉｎｔｕｂａｔｉｏｎｓｐａｃｉｎｇ，ｉｎｔｕｂａｔｉｏｎｄｉａｍｅｔｅｒ，ｉｎｔｕｂａｔｉｏｎｄｅｐｔｈａｎｄｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｎｅｇａｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｗｅｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇａｓｍｉｇｒａｔｉｏｎｌａｗａｎｄｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａ  ｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｉｎｔｕｂａｔｉｏｎｓｐａｃｉｎｇｉｎｇｏａｆｉｓ６０ｍ，ｔｈｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｎｅｇａｔｉｖｅｐｒｅｓｓｕｒｅｉｓｋｅｐｔａｔ１０～２０ｋＰａ，ａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｍａｉｎａｎｄａｕｘｉｌｉａｒｙａｉｒｉｎｔａｋｅｉｓ１．５ ∶ １～３ ∶ １．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ；ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏａｄｗａｙｉｎｔｕｂａｔｉｏｎ；ｇａｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｌａｗ；ｉｎｔｕｂａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ＦＬＵＥＮＴ０引言布尔台煤矿４２上煤层二盘区综采工作面主要采用“ 偏Ｙ型” 通风方式，并在采空区插管抽采回风隅角瓦斯。对于生产强度较大、工作面矿压显现明显所导致的上隅角和采空区瓦斯异常集中问题，依靠降低综放工作面生产效率解决具有很大难度［１－４］。虽然布尔台煤矿不需要建立地面的永久抽采系统或井下的临时抽采系统，但曾多次出现上隅角瓦斯超限，造成断电停产，威胁人员的生命安全，因此，上隅角和采空区的瓦斯治理是重中之重［５］。布尔台煤矿利用联络巷插管或煤柱大直径钻孔桥接的局部抽采方法，在４２２０２辅运顺槽，通过联络巷向４２２０１主运顺槽施工大直径钻孔。随着采煤活动的延续，封闭联巷，在上隅角后部采空区形成一个负压区域，从而改变瓦斯运移的方向，避免出现瓦斯积聚的情７第３期潘吉成回采工作面采空区插管抽采参数优化况［６－９］。为优化回采工作面采空区插管参数，基于布尔台煤矿４２２０１综放面现有的瓦斯治理措施（采空区插管）进行ＦＬＵＥＮＴ模拟分析，分析不同抽采条件下采空区瓦斯在三维空间中的分布规律并进行分析，进而确定采空区插管的合理抽采参数。１模型建立及参数１．１模型建立模拟假设布尔台煤矿４２２０１综放工作面采用 “ 偏Ｙ型” 通风方式，结合现场实际情况对工作面、采空区和裂隙带作如下假设。①文中研究邻近层卸压瓦斯的运移规律，需要考虑本煤层遗煤及煤壁的瓦斯释放情况； ②忽略矿井周期来压等特殊情况，只考虑进风巷、回风巷及采空区漏风等对采空区内部瓦斯流场的影响； ③把现场断面不规整的胶带机运输顺槽、辅助运输顺槽和综放工作面视为一长方体，人员、设备等不予以考虑，考虑胶带机运输顺槽平均截面积为１８．８ｍ２，辅助运输顺槽平均截面积为１８．５ｍ２，因此设定胶带机运输顺槽、辅助运输顺槽尺寸为４０ｍ４．５ｍ４ｍ（长宽高），工作面尺寸３２０ｍ４．５ｍ４ｍ（长宽高）；采空区３２０ｍ２００ｍ（长宽），顶板以上高６０ｍ，实际计算冒落带高度为１６．２５ｍ，裂隙带高度为４４．２ｍ，包括裂隙带的全部； ④边界条件均采用壁面条件，并考虑重力的作用； ⑤根据冒落带及裂隙带各区域渗透率的分布，采用公式（１）编制ＵＤＦ［１０－１３］。Ｋｐ＝２１０－５ｅ１９．２３ φ ＝２１０－５ｅ１９．２３［（０．２ｅ－０．０２２１ｘ＋０．１）（ｅ－０．１５（Ｌ２＋ｙ）＋１）］（１）模型网格划分根据上述假设，利用Ｇａｍｂｉｔ建立了采场工作面及采空区的模型［１４－１６］，并划分３０多万个网格，如图１、２所示。８陕西煤炭２０２０年图１采场模型效果图１．２模型主要参数的设定采空区内多孔介质参数的设定模拟过程中，通过建立多孔介质模型模拟冒落带及裂隙带的孔隙与裂隙。ＦＬＵＥＮＴ对多孔介质的设定主要通过设定粘性阻力系数（ＶｉｓｃｏｕｓＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、惯性阻力系数（Ｉｎ  ｅｒｔｉａｌＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ）和孔隙率（Ｐｏｒｏｓｉｔｙ）来限制。考虑到工作面向采空区漏风很少，而且瓦斯涌出速度较慢，整个采空区流场速度不大，基本属于层流区域，因而惯性阻力对结果影响极小，惯性阻力系数不予考虑；孔隙率可以通过相似模型试验和现场观测确定；粘性阻力系数是设定多孔介质的重要参数，它是渗透率的倒数，采空区现场的渗透率很难测出，而且由于地质状况、构造应力的复杂性，人为因素的不确定性，要想得到各区域渗透率的精确值还需要做进一步的科学研究，文中在设定该系数时考虑如下原则，使取值最大限度接近现场值。采用文献中运用真三轴渗透仪进行渗透实验得出的结果，对渗透率与孔隙率的变化关系曲线拟合得到的采空区多孔介质渗透率和孔隙率的指数关系式，编制ＵＤＦ。采空区瓦斯质量源项的确定依据模型建立时的假设，本次ＦＬＵＥＮＴ模拟瓦斯涌出源只考虑本煤层瓦斯。根据工作面实际情况及数值模拟可知，４２２０１综放工作面采空区瓦斯涌出源项主要为本煤层遗煤以及煤壁和落煤。由单元法实测的数据分析可知，从采空区涌出的瓦斯源项为０．１５ｍ３／ｍｉｎ，其中设冒落带为０．１ｍ３／ｍｉｎ，裂隙带为０．０５ｍ３／ｍｉｎ；煤壁及落煤的瓦斯涌出量是１．７ｍ３／ｍｉｎ。文中把模型冒落带底部作为本煤层煤壁及落煤瓦斯源，采用ＵＤＦ编程实现。２数值模拟结果分析２．１数值模拟可行性验证现选取２０１８年１月４日４２２０１综放工作面瓦图２采场模型网格划分斯抽采方式及抽采参数为基础数据，代入上述模型中，验证模型的可行性。工程参数４２２０１综放工作面抽放口位置２０联巷距综放工作面回风隅角３２ｍ；下个抽放口２６联巷距综放工作面回风隅角６４ｍ，未进采空区（抽放口距回风隅角３２ｍ）。抽采负压０．０２ＭＰａ，混合流量２５８．４９ｍ３／ｍｉｎ，平均纯瓦斯流量２．１ｍ３／ｍｉｎ，抽采瓦斯浓度０．９７％，上隅角瓦斯浓度０．１７％（全天平均值），纯瓦斯量１２０３．５３ｍ３（早班），１１５３．９０ｍ３（中班），６５７．６０ｍ３（晚班）。将上述数据带入模型，进行数值计算，结果如图３所示。图３现有抽采方式下采场瓦斯浓度分布可行性分析从图３（ａ）、（ｂ）可以看出，上隅角瓦斯浓度约为０．１５％，抽采浓度约为１．１％，则抽采纯瓦斯量为２．８ｍ３／ｍｉｎ；实际综放工作面上隅角瓦斯浓度为０．１７％，抽采浓度为０．９５％，平均纯瓦斯流量２．１ｍ３／ｍｉｎ。模拟结果与实际抽采参数接近，故该模型具有一定参考价值。２．２采场瓦斯分布规律基于现有抽采方式下瓦斯浓度分布情况，进行数值模拟，图４为采场瓦斯在三维空间里的分布规律。整体来看，瓦斯浓度从下隅角到上隅角逐渐增加，随采空区浓度的增加而增加，随采空区高度的增加而增加，在采空区顶部裂隙带内达到最大值。图４采场瓦斯浓度分布图水平面方向上瓦斯浓度变化趋势从ｚ＝２ｍ水平方向（图４（ａ）、（ｂ）），沿工作面走向瓦斯从工作面向采空区深部浓度逐渐升高，距离工作面越远瓦斯浓度越高，瓦斯浓度等值线在上隅角处聚集。从工作面中部开始，瓦斯开始聚集，到达工作面３／４位置时聚集明显，从整个平面方向上来看，基本遵循瓦斯浓度随着采空区深度方向和工作面走向方向上降低的趋势。在ｚ＝１０ｍ、２０ｍ（图４（ｃ）、（ｄ））高度，瓦斯浓度在上隅角及采空区深部达到最大，而上进风巷处最小。从整个平面方向上来看，瓦斯浓度有两个极大值点和一个极小值点。在ｚ＝４０ｍ（图４（ｅ））高度，瓦斯浓度在整个高度均超过４％，说明此时采空区漏风已不足以将产生瓦斯移出采空区。垂直方向瓦斯变化趋势从图４（ｇ）可以看出，瓦斯浓度等值线沿工作面走向上逐渐降低，这是由于在下隅角瓦斯浓度由于受到新鲜进风流的影响瓦斯浓度在很大程度上被稀释，而在上隅角由于采空区回风流的影响，上隅角的瓦斯浓度较大。另外，沿工作面方面，工作面中部位置瓦斯浓度梯度较小，而上下隅角的瓦斯浓度梯度较大，也即，工作面中部位置瓦斯浓度的变化较为缓慢，而上下隅角的瓦斯浓度变化比较迅速。这是由于上下隅角的风流速度较大，而工作面中部位置的风流速度较小引起的。从图４（ｈ）可以看出，瓦斯浓度等值线沿采空区深度方向上逐渐降低，而且其下降趋势为非线性变化，说明新鲜风流进入采空区的速度随着采空区深度的增加而迅速下降，呈非线性变化。９第３期潘吉成回采工作面采空区插管抽采参数优化３采空区瓦斯综合治理技术模拟通过ＦＬＵＥＮＴ模拟邻近层卸压瓦斯的运移富集规律，得到瓦斯主要富集在采空区上隅角及采空区深部。结合布尔台煤矿现有瓦斯抽采技术，运用ＦＬＵＥＮＴ模拟不同插管间距、负压条件下的采空区气体运移规律和瓦斯抽采效果，优化上隅角插管抽放方案，控制采空区瓦斯浓度，以减少采空区瓦斯涌出导致上隅角瓦斯超限造成的危害。３．１插管间距对采空区瓦斯运移规律的影响模拟结果工作面回采时，采空区插管的入口将距离工作面越来越远。当插管入口距离工作面较远时，埋管抽采对上隅角的影响较小，因此不能很好地解决上隅角处瓦斯浓度过高问题。而当插管入口离工作面太近时，因为采空区漏风，此处的瓦斯浓度降低，埋管的抽采效率不高。所以，合适的步距对插管抽采效率至关重要。根据ＦＬＵＥＮＴ模拟软件，考察在相同抽采负压（２０ｋＰａ）下，埋设步距对空区瓦斯运移规律的影响，模拟结果如图５所示。结果分析插管间距在２０ｍ左右时，抽采效果欠佳。此时抽采口距离工作面较近，在靠近回风巷一侧，采空区向工作面漏风，此区域内的瓦斯被风流稀释，因此瓦斯浓度较低，抽采效果不佳。插管间距０１陕西煤炭２０２０年在４０ｍ左右时，上隅角瓦斯浓度下降明显，抽采效果较好；当插管入口位置离工作面较远时，由于此时漏风效应并不明显，此处的瓦斯被插管有效抽出，从而流向工作面上隅角的瓦斯减少，抽采效果较佳。插管间距在６０ｍ左右时，上隅角瓦斯浓度虽然降低，但开始出现局部聚集，由于此时抽采口距离工作面较远，对上隅角瓦斯的治理效果一般。插管间距在７５ｍ左右时，虽然插管内瓦斯浓度较高，但由于此时抽采口距离工作面较远，对上隅角瓦斯的治理效果不明显。通过分析可知，当采空区插管抽采负压一定时，插管入口距离工作面为４０ｍ时的抽采效果最佳，但不应大于６０ｍ。３．２抽采负压对采空区瓦斯运移规律的影响模拟结果与插管间距相同，抽采负压也是影响埋管抽采效果的关键性因素，当抽采负压较小时，埋管不能有效对瓦斯进行抽采，埋管内瓦斯浓度也比较低，达不到理想的治理效果。当负压过大时，随之而来采空区漏风也增加，抽采效率不高，所以抽采效果并不能达到预期。此外，过大的抽采负压不仅有可能引发采空区自然发火，也会造成能源上的浪费，在经济上并不可行。因此，选择合适的抽采负压对于埋管的治理效果也十分重要。使用ＦＬＵＥＮＴ软件对处在相同位置（４０ｍ）的插管进行不同抽采负压状态（１０ｋＰａ、２０ｋＰａ，３０ｋＰａ）的模拟，模拟结果如图６所示。结果分析从图６中可以看出，当抽采负压为１０ｋＰａ时，上隅角处瓦斯得到有效解决，当抽采负压图５插管间距不同时采空区瓦斯分布图图６抽采负压不同时采空区瓦斯分布图为２０ｋＰａ时，抽采效果最佳。当抽采负压增大至３０ｋＰａ时，埋管瓦斯抽采效果并没有进一步提高，反而有所下降，这是因为过高的抽采负压造成工作面向采空区漏风明显，从而使得抽采效果降低。因此，为了达到最佳的抽采效果，抽采负压定为１０～２０ｋＰａ较合理。３．３插管深度对采空区瓦斯运移规律的影响分析模拟结果结合上述分析情况，取抽采负压为２０ｋＰａ，插管间距为４０ｍ，对４２２０１综放工作面上隅角插管抽采深度（穿过煤壁后的深度）分别为１ｍ、３ｍ时工作面及采空区瓦斯浓度进行数值模拟。工作面及采空区瓦斯浓度分布，如图７所示。工作面上隅角瓦斯浓度逐渐降低，这主要是因为当插管深度逐渐增加时，抽采负压引导形成的漏风回路距离工作面上隅角就越远，涌出至上隅角的瓦斯就越少，因而上隅角瓦斯浓度越低。根据数值模拟结果，上隅角插管可以有效抽采上隅角瓦斯，降低上隅角瓦斯浓度，且插管深度越深，上隅角瓦斯浓度越低。建议现场插管深度为１～３ｍ，但不低于１ｍ。但结合布尔台煤矿实际情况，应维持现有插管深度不变。３．４插管管径对采空区瓦斯运移规律的影响分析模拟结果结合上述分析情况，取抽采负压为２０ｋＰａ，插管间距为６０ｍ，对４２２０１工作面上隅角插管管径分别为３５０ｍｍ、４００ｍｍ时工作面及采空区瓦斯浓度进行数值模拟，结果如图８所示。图８抽采管径不同时采空区瓦斯分布图结果分析由图８可知，插管管径对瓦斯抽采半径影响较大，当抽采时间负压一定时，管径越大，瓦斯抽采量越高，抽采效果越好。但管径的取值也不是越大越好，过度增加管径还会影响瓦斯抽采，管径越大，煤壁暴露面越大，瓦斯涌出也会增加，且对封孔质量要求较高，若封孔效果不好，会增加采空区漏风。结合上述分析及布尔台煤矿实际情况，选取插管管径３５０ｍｍ。４结论（１）当采空区插管抽采负压一定时，当抽放口距回风隅角距离在２０～６０ｍ范围内时，抽采效果随抽放口距工作面距离增加而增加，当达到一定值时，１１第３期潘吉成回采工作面采空区插管抽采参数优化图７插管深度不同时采空区瓦斯分布图结果分析由图７可见，随着插管深度的增加，抽采效果随抽放口距工作面距离增加而下降。结合布尔台煤矿实际情况，插管间距布置为６０ｍ，则随着工作面的推进，抽放口距工作面的距离则为２０～８０ｍ。（２）对于插管抽采采空区瓦斯而言，在低压阶段，抽采纯流量随抽采负压的增大而增大；当抽采负压增至一定值后，抽采负压已经不是影响抽采纯量的关键因素。因此，建议插管抽采负压保持在１０～２０ｋＰａ。（３）处理工作面上隅角瓦斯，并非工作面风量越大越有效，风量增加初期，上隅角瓦斯会有一定程度的降低，但当风量超过某一数值时，采空区域漏风风压随之增大，漏风风流反而会将采空区瓦斯带入上隅角。结合理论分析与数值模拟，得出当主辅进风比为１．５ ∶ １～３ ∶ １时，较为合理。参考文献［１］张丹丹．上隅角插管抽采时采空区漏风及瓦斯分布数值模拟研究［Ｄ］．焦作河南理工大学，２０１２．［２］吴杰．下峪口煤矿保护层开采水平长钻孔卸压瓦斯抽采技术［Ｊ］．陕西煤炭，２０１８，３７（５）５５－５８．［３］张喜峰．马兰煤矿顺层抽采钻孔瓦斯渗流数值模拟［Ｊ］．煤，２０１９，２８（８）１０３－１０５．［４］郭洪．综放面瓦斯抽采高抽巷布置参数优化分析［Ｊ］．陕西煤炭，２０１９，３８（５）６１－６４．［５］高亮，李学杰，潘吉成．布尔台矿回采工作面瓦斯涌出主控因素及治理措施［Ｊ］．中国安全生产科学技术，２０１９，１５（５）１３０－１３５．［６］李双民．黄陵一号煤矿定向长钻孔瓦斯预抽数值模拟研究［Ｊ］．陕西煤炭，２０１５，３４（１）４－６，２１．［７］宁廷洲，赵波，林海飞，等．倾斜特厚煤层综放开采采空区瓦斯分布规律研究［Ｊ］．煤炭技术，２０１９，３８（１２）１０５－１０７．［８］任仲久．高瓦斯工作面采空区拖管抽采技术应用研究［Ｊ］．煤炭技术，２０１９，３８（１０）１２１－１２３．［９］张学亮．分层开采上分层综采工作面采空区瓦斯抽采技术优化［Ｊ］．煤矿安全，２０１８，４９（５）１４３－１４６．［１０］王晓亮．煤层瓦斯流动理论模拟研究［Ｄ］．太原太原理工大学，２００３．［１１］于宝种．上隅角不同插管深度瓦斯抽采效果研究［Ｊ］．煤矿安全，２０１７，４８（７）１６９－１７２．［１２］杨宏民，于士芹，梁龙辉，等．低瓦斯煤层高强度开采矿井瓦斯涌出特征及分源治理［Ｊ］．中国安全生产科学技术，２０１８，１４（５）１０９－１１５．［１３］张浩然．煤矿瓦斯抽采技术研究及应用［Ｄ］．太原太原理工大学，２０１１．［１４］郭建行．易自燃煤层上隅角瓦斯抽采方法的选取［Ｊ］．煤矿安全，２０１８，４９（６）１６０－１６３，１６７．［１５］魏小文，刘妍，丁厚成，等．采空区瓦斯运移规律的相似实验与数值研究［Ｊ］．中国矿业，２００９，１８（４）１１３－１１５．［１６］李宗翔，王继仁，周西华．采空区开区移动瓦斯抽放的数值模似［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００４，３３（１）檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪７４－７８．（下接第３３页）［７］张科，王高峰．大断面全煤回采巷

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