采空区瓦斯抽入方法与展望
1概述
近年来，随着矿井开采程度的提高，工作面瓦斯涌出量逐年增大，特别是采空区瓦斯涌出更为突出。为解决采空区瓦斯涌出这一难题，采取加大采空区瓦斯的抽放力度，但由于对采空区瓦斯的涌出特征和采空区抽放技术的掌握程度的不同，个别矿井盲目照搬，导致失败的结果。为此，作者就采空区瓦斯的涌出特点和抽入方法进行探讨及分析，供参考。
2采空区瓦斯运移规律
2.1瓦斯运移数学模型
按照渗流力学理论，将采场视为连续的渗流空间，在孔隙介质空间中可直接运用质量守恒定律和N-S方程； 瓦斯在采空区的运移实际是机械弥散和分子扩散引起的散布过程，瓦斯在多孔介质中流动的对流扩散和机械弥散遵循Fick扩散定律；根据质量守恒定律、流体动力弥散定律和采空区瓦斯浓度分布定解条件，可建立瓦斯在采空区流动的微分方程组（数学模型）：
2.2模拟求解
上述数学模型求解采用Galerkin有限单元法编制TurboC计算程序，输入祁东矿7124工作面开采条件边值，经反演优化，可得出7124工作面采空区瓦斯运移规律和浓度分布三带。
（1）I涌出带：采空区瓦斯在工作面切眼0～20m范围内瓦斯浓度变化较大，一般在3％～15％之间，在涌出带中，采空区丢煤的缷压邻近层解吸的瓦斯向工作面和采空区排放，进入涌出带的瓦斯流动速度较快，多以层流形式存在，且这部分几乎全部被工作面风流和采空区的漏风流携带到回风道内；
（2）II过渡带：20～50m范围内瓦斯浓度变化幅度较快，瓦斯浓度一般在20～30％之间，随着工作面的推进，采空区进入过渡带，过渡带的瓦斯在工作面和采空区压差作用下，一部分进入工作面，另一部分暂时或滞留在采空区内，该区域瓦斯流动速度也明显下降，流动呈现出不均衡性，处于层、紊交错阶段；
III滞留带50m以上范围内瓦斯浓度变化较小，瓦斯浓度在35%～50％之间，而进入滞留带时，释放采空区内的瓦斯一般滞留在采空区的深部，流动速度较低。
上述三个带不是固定不变的，随着工作面的推进向前移动，采空区瓦斯涌出三带出现“浪涌”现象，见图1。
图1 采空区瓦斯涌出三带划分图
3采空区处理方法
（1）高位钻孔抽放。图2是皖北煤电公司祁东矿7124工作面利用高位钻孔抽放采空区瓦斯。
工作面抽放瓦斯量8～12m3/min，累计抽放瓦斯量422万m3。使工作面配风量由1800m3/min减到1200m3/min，回风流瓦斯浓度保持在0.5％～0.6％之间，该法能抽放出高浓度瓦斯，抽放量稳定，缺点是打钻费用高。适用于有邻近层开采的工作面，涌出量在15～20m3/min之间。
图2 高位钻孔抽放采空区瓦斯方法
（2）顶板巷道抽放。煤层群开采的综采或综放工作面，在采空区瓦斯涌出量较大时，可采用顶板走向或倾向巷道抽入采空区瓦斯。图3是阳泉五矿8204和8202工作面利用顶板巷道抽放采空区瓦斯，使采空区抽放量达30～60m3/min，邻近层抽放率达90％以上。该方法具有抽放时间长、瓦斯效果较好，但工程量大，需在顶板掘一条或多条巷道，适用于厚煤或有上邻近层开采的工作面，工作面瓦斯涌出量在40 m3/min以上。
倾向高抽巷剖面图
图3 顶板巷道抽放采空区瓦斯方法
（3）综合抽放采空区瓦斯。根据7124工作面采空区瓦斯模拟，过渡带内20m左右瓦斯涌出比较活跃，而在该范围内瓦斯高位钻孔无法抽出，在原有的高位钻孔基础上，又增加了低位钻孔，使钻孔布置在煤层顶板5～8m范围内，钻孔与采空区冒落带边连通，用于拦截采空区和围岩涌出的瓦斯，从而很好地解决了高位钻场接替区域涌出带和过渡带的瓦斯涌出，使工作面上隅角瓦斯超限和聚集得到有效地控制，防止采空区瓦斯涌向工作面，抽入采空区瓦斯效果显著。
4抽放采空区瓦斯方法展望
随着生产规模扩大和开采水平延伸，采空区瓦斯涌出将日趋严重。特别是在低透气煤层抽放瓦斯领域中，采空区抽放瓦斯将起主导地位。随着矿井的抽放能力和装备水平提高，采空区瓦斯将起主导地位。随着矿井的抽放能力和装备水平提高，采空区瓦斯抽放将从分散型向单一、高效发展，抽放效率高、技术先进、管理简单、专用巷道抽放被淘汰，大直径（300～500mm）高位顶板水平长钻孔（1000m）将替代顶板高抽巷和目前短距离的高位钻孔及采空区后方埋管抽放。
5结论
通过对采空区瓦斯涌出特征和处理方法分析认为：
（1）目前抽放采空区瓦斯是解决采空区瓦斯大量涌出量有效方法，对采空区瓦斯涌量大的矿井应根据本矿的实际情况，因地制宜，确定适宜抽放采空区瓦斯方法。在采取抽放措施前，首先摸清采空区瓦斯来源、涌出特征、采空区瓦斯涌出量大小及确定采空区流动带范围等抽放技术指标，做到有的放矢。
（2）采空区瓦斯流动带（涌出带、过渡带和滞留事）三带划分为采空区瓦斯抽放提供理论依据，对类似的矿井可以借鉴。
（3）一般抽放采空区瓦斯最佳位置是距工作面切眼30～50m 范围之间。但采空区瓦斯流出带的范围不是固定不变的，受煤层开采条件，特别是开采高度、顶板岩性和采空区瓦斯涌出源供给情况等因素的影响，同时，由于受工作面风流和采空区漏风量大小也有一定的影响，划分时应全面考虑。
近年来，随着矿井开采程度的提高，工作面瓦斯涌出量逐年增大，特别是采空区瓦斯涌出更为突出。为解决采空区瓦斯涌出这一难题，采取加大采空区瓦斯的抽放力度，但由于对采空区瓦斯的涌出特征和采空区抽放技术的掌握程度的不同，个别矿井盲目照搬，导致失败的结果。为此，作者就采空区瓦斯的涌出特点和抽入方法进行探讨及分析，供参考。
2采空区瓦斯运移规律
2.1瓦斯运移数学模型
按照渗流力学理论，将采场视为连续的渗流空间，在孔隙介质空间中可直接运用质量守恒定律和N-S方程； 瓦斯在采空区的运移实际是机械弥散和分子扩散引起的散布过程，瓦斯在多孔介质中流动的对流扩散和机械弥散遵循Fick扩散定律；根据质量守恒定律、流体动力弥散定律和采空区瓦斯浓度分布定解条件，可建立瓦斯在采空区流动的微分方程组（数学模型）：
2.2模拟求解
上述数学模型求解采用Galerkin有限单元法编制TurboC计算程序，输入祁东矿7124工作面开采条件边值，经反演优化，可得出7124工作面采空区瓦斯运移规律和浓度分布三带。
（1）I涌出带：采空区瓦斯在工作面切眼0～20m范围内瓦斯浓度变化较大，一般在3％～15％之间，在涌出带中，采空区丢煤的缷压邻近层解吸的瓦斯向工作面和采空区排放，进入涌出带的瓦斯流动速度较快，多以层流形式存在，且这部分几乎全部被工作面风流和采空区的漏风流携带到回风道内；
（2）II过渡带：20～50m范围内瓦斯浓度变化幅度较快，瓦斯浓度一般在20～30％之间，随着工作面的推进，采空区进入过渡带，过渡带的瓦斯在工作面和采空区压差作用下，一部分进入工作面，另一部分暂时或滞留在采空区内，该区域瓦斯流动速度也明显下降，流动呈现出不均衡性，处于层、紊交错阶段；
III滞留带50m以上范围内瓦斯浓度变化较小，瓦斯浓度在35%～50％之间，而进入滞留带时，释放采空区内的瓦斯一般滞留在采空区的深部，流动速度较低。
上述三个带不是固定不变的，随着工作面的推进向前移动，采空区瓦斯涌出三带出现“浪涌”现象，见图1。
图1 采空区瓦斯涌出三带划分图
3采空区处理方法
（1）高位钻孔抽放。图2是皖北煤电公司祁东矿7124工作面利用高位钻孔抽放采空区瓦斯。
工作面抽放瓦斯量8～12m3/min，累计抽放瓦斯量422万m3。使工作面配风量由1800m3/min减到1200m3/min，回风流瓦斯浓度保持在0.5％～0.6％之间，该法能抽放出高浓度瓦斯，抽放量稳定，缺点是打钻费用高。适用于有邻近层开采的工作面，涌出量在15～20m3/min之间。
图2 高位钻孔抽放采空区瓦斯方法
（2）顶板巷道抽放。煤层群开采的综采或综放工作面，在采空区瓦斯涌出量较大时，可采用顶板走向或倾向巷道抽入采空区瓦斯。图3是阳泉五矿8204和8202工作面利用顶板巷道抽放采空区瓦斯，使采空区抽放量达30～60m3/min，邻近层抽放率达90％以上。该方法具有抽放时间长、瓦斯效果较好，但工程量大，需在顶板掘一条或多条巷道，适用于厚煤或有上邻近层开采的工作面，工作面瓦斯涌出量在40 m3/min以上。
倾向高抽巷剖面图
图3 顶板巷道抽放采空区瓦斯方法
（3）综合抽放采空区瓦斯。根据7124工作面采空区瓦斯模拟，过渡带内20m左右瓦斯涌出比较活跃，而在该范围内瓦斯高位钻孔无法抽出，在原有的高位钻孔基础上，又增加了低位钻孔，使钻孔布置在煤层顶板5～8m范围内，钻孔与采空区冒落带边连通，用于拦截采空区和围岩涌出的瓦斯，从而很好地解决了高位钻场接替区域涌出带和过渡带的瓦斯涌出，使工作面上隅角瓦斯超限和聚集得到有效地控制，防止采空区瓦斯涌向工作面，抽入采空区瓦斯效果显著。
4抽放采空区瓦斯方法展望
随着生产规模扩大和开采水平延伸，采空区瓦斯涌出将日趋严重。特别是在低透气煤层抽放瓦斯领域中，采空区抽放瓦斯将起主导地位。随着矿井的抽放能力和装备水平提高，采空区瓦斯将起主导地位。随着矿井的抽放能力和装备水平提高，采空区瓦斯抽放将从分散型向单一、高效发展，抽放效率高、技术先进、管理简单、专用巷道抽放被淘汰，大直径（300～500mm）高位顶板水平长钻孔（1000m）将替代顶板高抽巷和目前短距离的高位钻孔及采空区后方埋管抽放。
5结论
通过对采空区瓦斯涌出特征和处理方法分析认为：
（1）目前抽放采空区瓦斯是解决采空区瓦斯大量涌出量有效方法，对采空区瓦斯涌量大的矿井应根据本矿的实际情况，因地制宜，确定适宜抽放采空区瓦斯方法。在采取抽放措施前，首先摸清采空区瓦斯来源、涌出特征、采空区瓦斯涌出量大小及确定采空区流动带范围等抽放技术指标，做到有的放矢。
（2）采空区瓦斯流动带（涌出带、过渡带和滞留事）三带划分为采空区瓦斯抽放提供理论依据，对类似的矿井可以借鉴。
（3）一般抽放采空区瓦斯最佳位置是距工作面切眼30～50m 范围之间。但采空区瓦斯流出带的范围不是固定不变的，受煤层开采条件，特别是开采高度、顶板岩性和采空区瓦斯涌出源供给情况等因素的影响，同时，由于受工作面风流和采空区漏风量大小也有一定的影响，划分时应全面考虑。
上一篇：冲击地压的发生与防治
下一篇：采空区瓦斯爆炸、燃烧点火源的确定