浅谈“U+高抽巷”通风系统下采空区瓦斯分布规律

王志强

（潞安环能股份有限公司王庄煤矿，山西 长治 046031）

煤矿瓦斯是制约矿井安全生产的主要因素之一，而随着矿井开采深度的不断增加，煤层中瓦斯含量呈非线性递增趋势，瓦斯治理难度和瓦斯威胁强度不断提升。煤层开采后，上覆岩层形成采动裂隙，形成卸压瓦斯的储存空间和流动通道，而工作面采用“U+高抽巷”通风系统，高抽巷抽采负压会促使工作面、采空区和高抽巷间的漏风通道的形成，直接影响到采空区原有瓦斯流场的分布。为了后期布置钻孔辅助“U+高抽巷”瓦斯抽排，必须对高抽巷影响下的裂隙带瓦斯运移规律、采空区瓦斯分布规律等关键问题进行探讨，以便确定采空区瓦斯积聚区域。本文以王庄煤矿9105工作面为例，通过数值模拟的方法对采空区瓦斯分布规律进行模拟分析，以便为该区域瓦斯治理提供依据，也为王庄煤矿类似条件下瓦斯抽排提供经验和科学指导。

1 研究区概况

9105工作面位于王庄煤矿后备区，是王庄煤矿首个超大型回采工作面，设计回采长度3432m，切眼长度340m，工作面标高377～522m，平均煤厚6.5m，煤层倾角2～12°，采用综采放顶煤一次采全高采煤工艺，全部垮落法管理顶板。按照已有瓦斯含量与埋深关系曲线推断，该工作面属于瓦斯风化带，相对瓦斯涌出量为9.43m3/t，绝对瓦斯涌出量为37.50m3/min，属高瓦斯工作面，无瓦斯、CO2突出危险倾向，煤层正常涌水量30m3/h。通过已有采区研究结果计算，工作面回采期间形成的冒落带最大高度范围17.55～23.4m，裂隙带最大高度范围为49.48～60.68m。根据9105工作面实际情况进行预测，在日产量15000t生产条件下，采空区绝对瓦斯涌出量约为28.33m3/min，拟采用“U+高抽巷”通风方式，以及布置后期辅助钻孔对采空区瓦斯进行抽排，高抽巷层位选择距离煤层顶板10～15m垂距，距离回风巷12～16m水平距离。

2 数值模型构建

本文基于FLUENT软件对工作面采动过程中瓦斯运移及分布进行模拟分析。按照9105工作面实际情况，忽略顶板周期来压等特殊情况，仅考虑进风巷、回风巷、高抽巷和采空区漏风对采动裂隙场瓦斯浓度的分布影响。模型构建如下：（1）进风、回风巷高度为3m，长为25m，宽为5m；工作面的长度为340m，高为3m，宽为4m；（2）采空区长为300m，宽为4m，高为3～50m；（3）高抽巷高3m，宽3m，与煤层顶板距15m，与回风巷平距16m；（4）根据采空区碎胀程度划分为15个区域；（5）用 Gambit 处理器建立两个模型，每个模型均采用 TGrid 进风网格的划分，每个模型划分的单元格为 78.4 万个。模拟参数选取：（1）按照采空区碎胀程度分区，确定孔隙率、渗透率参数，见表1；（2）工作面煤壁的瓦斯涌出量为 11m3/min，采空区遗煤和邻近层瓦斯涌出量为 42m3/min；（3）进风巷设置为风流进口，入口风速3m/s，瓦斯浓度为 0，出口设置为自由出口，整个采空区设置为多空介质，其他固体边界设置为墙壁。

表1 9105工作面不同区域孔隙率、渗透率

3 采空区瓦斯分布规律探讨

根据9105工作面高抽巷的布置设计，通过数值模拟得出高抽巷影响下采空区的瓦斯流向，其中，X轴代表采空区走向，Y轴代表距工作面位置距离，Z轴代表相对于煤层底板的采空区高度距离。

3.1 采空区走向方向上瓦斯分布规律

基于数值模拟对采空区走向方向上瓦斯分布规律进行分析，见图1。距离煤层底板不同的采空区高度，采空区瓦斯浓度都随采空区走向距离、距离工作面位置的增加而呈递增趋势。而在高抽巷抽排采空区上隅角瓦斯的作用下，采空区回风侧（X≤50m，Y≥200m）瓦斯浓度相对较低。对比不同采空区高度（Z=5m、Z=25m）的瓦斯分布，可以看出：

（1）在采空区回风侧（X≤50m ，Y≥200m），距离底板高度为5m的采空区瓦斯浓度高于距离底板高度为25m的采空区。以0.05瓦斯浓度等值线来说，5m和25m高度0.05等值线距离回风巷分别为38m和47m。

（2）在采空区后段，采空区高度为Z=5m瓦斯浓度低于 Z=25m的瓦斯浓度。以瓦斯浓度为80%等值线为例，Z=5m处0.8等值线距离为267m，Z=25m处80%等值线距离为195m。

综合分析，由于设计高抽巷位置距离煤层底板为15m，在不考虑底板位移情况下，高抽巷与Z=25m采空区层面垂直距离更近（约为3.5m），抽采效果更为明显。而随着采空区距离工作面距离增加，瓦斯上浮效应作用更强，虽然在高抽巷作用下，采空区瓦斯浓度有所下降，但上浮作用大于高抽巷瓦斯抽采能力，致使采空区垂高越大，瓦斯浓度越大，在采空区上部形成高浓度瓦斯积聚区。

图1 采空区沿走向（X轴）方向不同垂高处瓦斯分布规律

3.2 采空区高度方向上瓦斯分布规律

沿Y轴方向，选取Y=5m、Y=170m 和Y=330m 三个截面上的瓦斯分布，分别代表采空区回风测、中部和后部，见图2。分析瓦斯分布曲线可以看出：

图2 工作面不同位置采空区方向瓦斯分布规律

（1）采空区瓦斯浓度随着距回风巷距离的增大而逐渐增大，并且出现明显的分层现象。对于瓦斯浓度为0.8等值线来说，Y=5m、Y=170m和Y=330m处0.8等值线距离进风巷距离分别为268m、190m和136m，而随着采空区高度的上升，采空区瓦斯浓度更为积聚。即采空区瓦斯随着距回风巷距离的增大，不断向采空区上隅角位置积聚，而随着距工作面距离的增大，聚集效应更为明显。

（2）采空区回风侧Y=5m、中部Y=170m的瓦斯浓度随着采空区高度的上升呈现先降低后增加的规律，而在采空区后部Y=330m处，采空区瓦斯浓度几乎呈现不断上升趋势。

可见，在高抽巷作用下，采空区靠近回风侧仍然存在高浓度瓦斯积聚区域，而随着采空区高度的增加，这种积聚效应尤为明显。所以，为了更好的进行瓦斯抽排，降低采空区瓦斯浓度，可以采取向采空区回风侧裂隙带内施工辅助抽采钻孔。

4 结论

采用“U+高抽巷”瓦斯抽放方法，降低了采空区瓦斯浓度，减少了采空区向上隅角的瓦斯涌出量，从而降低了上隅角瓦斯浓度。在采空区回风侧靠近高抽巷位置，瓦斯抽排效果更好，而随着采空区与高抽巷距离的不断增加，瓦斯上浮效应作用大于高抽巷抽排作用，造成瓦斯积聚，形成高瓦斯区域。因此可以在采空区回风侧中上部、采空区后部施工辅助抽采钻孔，从而达到抽放采空区高浓度瓦斯的目的。