采空區瓦斯抽入方法與展望
1概述
近年來，隨著礦井開采程度的提高，工作面瓦斯涌出量逐年增大，特別是采空區瓦斯涌出更為突出。為解決采空區瓦斯涌出這一難題，采取加大采空區瓦斯的抽放力度，但由于對采空區瓦斯的涌出特征和采空區抽放技術的掌握程度的不同，個別礦井盲目照搬，導致失敗的結果。為此，作者就采空區瓦斯的涌出特點和抽入方法進行探討及分析，供參考。
2采空區瓦斯運移規律
2.1瓦斯運移數學模型
按照滲流力學理論，將采場視為連續的滲流空間，在孔隙介質空間中可直接運用質量守恒定律和N-S方程； 瓦斯在采空區的運移實際是機械彌散和分子擴散引起的散布過程，瓦斯在多孔介質中流動的對流擴散和機械彌散遵循Fick擴散定律；根據質量守恒定律、流體動力彌散定律和采空區瓦斯濃度分布定解條件，可建立瓦斯在采空區流動的微分方程組（數學模型）：
2.2模擬求解
上述數學模型求解采用Galerkin有限單元法編制TurboC計算程序，輸入祁東礦7124工作面開采條件邊值，經反演優化，可得出7124工作面采空區瓦斯運移規律和濃度分布三帶。
（1）I涌出帶：采空區瓦斯在工作面切眼0～20m范圍內瓦斯濃度變化較大，一般在3％～15％之間，在涌出帶中，采空區丟煤的缷壓鄰近層解吸的瓦斯向工作面和采空區排放，進入涌出帶的瓦斯流動速度較快，多以層流形式存在，且這部分幾乎全部被工作面風流和采空區的漏風流攜帶到回風道內；
（2）II過渡帶：20～50m范圍內瓦斯濃度變化幅度較快，瓦斯濃度一般在20～30％之間，隨著工作面的推進，采空區進入過渡帶，過渡帶的瓦斯在工作面和采空區壓差作用下，一部分進入工作面，另一部分暫時或滯留在采空區內，該區域瓦斯流動速度也明顯下降，流動呈現出不均衡性，處于層、紊交錯階段；
III滯留帶50m以上范圍內瓦斯濃度變化較小，瓦斯濃度在35%～50％之間，而進入滯留帶時，釋放采空區內的瓦斯一般滯留在采空區的深部，流動速度較低。
上述三個帶不是固定不變的，隨著工作面的推進向前移動，采空區瓦斯涌出三帶出現“浪涌”現象，見圖1。
圖1 采空區瓦斯涌出三帶劃分圖
3采空區處理方法
（1）高位鉆孔抽放。圖2是皖北煤電公司祁東礦7124工作面利用高位鉆孔抽放采空區瓦斯。
工作面抽放瓦斯量8～12m3/min，累計抽放瓦斯量422萬m3。使工作面配風量由1800m3/min減到1200m3/min，回風流瓦斯濃度保持在0.5％～0.6％之間，該法能抽放出高濃度瓦斯，抽放量穩定，缺點是打鉆費用高。適用于有鄰近層開采的工作面，涌出量在15～20m3/min之間。
圖2 高位鉆孔抽放采空區瓦斯方法
（2）頂板巷道抽放。煤層群開采的綜采或綜放工作面，在采空區瓦斯涌出量較大時，可采用頂板走向或傾向巷道抽入采空區瓦斯。圖3是陽泉五礦8204和8202工作面利用頂板巷道抽放采空區瓦斯，使采空區抽放量達30～60m3/min，鄰近層抽放率達90％以上。該方法具有抽放時間長、瓦斯效果較好，但工程量大，需在頂板掘一條或多條巷道，適用于厚煤或有上鄰近層開采的工作面，工作面瓦斯涌出量在40 m3/min以上。
傾向高抽巷剖面圖
圖3 頂板巷道抽放采空區瓦斯方法
（3）綜合抽放采空區瓦斯。根據7124工作面采空區瓦斯模擬，過渡帶內20m左右瓦斯涌出比較活躍，而在該范圍內瓦斯高位鉆孔無法抽出，在原有的高位鉆孔基礎上，又增加了低位鉆孔，使鉆孔布置在煤層頂板5～8m范圍內，鉆孔與采空區冒落帶邊連通，用于攔截采空區和圍巖涌出的瓦斯，從而很好地解決了高位鉆場接替區域涌出帶和過渡帶的瓦斯涌出，使工作面上隅角瓦斯超限和聚集得到有效地控制，防止采空區瓦斯涌向工作面，抽入采空區瓦斯效果顯著。
4抽放采空區瓦斯方法展望
隨著生產規模擴大和開采水平延伸，采空區瓦斯涌出將日趨嚴重。特別是在低透氣煤層抽放瓦斯領域中，采空區抽放瓦斯將起主導地位。隨著礦井的抽放能力和裝備水平提高，采空區瓦斯將起主導地位。隨著礦井的抽放能力和裝備水平提高，采空區瓦斯抽放將從分散型向單一、高效發展，抽放效率高、技術先進、管理簡單、專用巷道抽放被淘汰，大直徑（300～500mm）高位頂板水平長鉆孔（1000m）將替代頂板高抽巷和目前短距離的高位鉆孔及采空區后方埋管抽放。
5結論
通過對采空區瓦斯涌出特征和處理方法分析認為：
（1）目前抽放采空區瓦斯是解決采空區瓦斯大量涌出量有效方法，對采空區瓦斯涌量大的礦井應根據本礦的實際情況，因地制宜，確定適宜抽放采空區瓦斯方法。在采取抽放措施前，首先摸清采空區瓦斯來源、涌出特征、采空區瓦斯涌出量大小及確定采空區流動帶范圍等抽放技術指標，做到有的放矢。
（2）采空區瓦斯流動帶（涌出帶、過渡帶和滯留事）三帶劃分為采空區瓦斯抽放提供理論依據，對類似的礦井可以借鑒。
（3）一般抽放采空區瓦斯最佳位置是距工作面切眼30～50m 范圍之間。但采空區瓦斯流出帶的范圍不是固定不變的，受煤層開采條件，特別是開采高度、頂板巖性和采空區瓦斯涌出源供給情況等因素的影響，同時，由于受工作面風流和采空區漏風量大小也有一定的影響，劃分時應全面考慮。
近年來，隨著礦井開采程度的提高，工作面瓦斯涌出量逐年增大，特別是采空區瓦斯涌出更為突出。為解決采空區瓦斯涌出這一難題，采取加大采空區瓦斯的抽放力度，但由于對采空區瓦斯的涌出特征和采空區抽放技術的掌握程度的不同，個別礦井盲目照搬，導致失敗的結果。為此，作者就采空區瓦斯的涌出特點和抽入方法進行探討及分析，供參考。
2采空區瓦斯運移規律
2.1瓦斯運移數學模型
按照滲流力學理論，將采場視為連續的滲流空間，在孔隙介質空間中可直接運用質量守恒定律和N-S方程； 瓦斯在采空區的運移實際是機械彌散和分子擴散引起的散布過程，瓦斯在多孔介質中流動的對流擴散和機械彌散遵循Fick擴散定律；根據質量守恒定律、流體動力彌散定律和采空區瓦斯濃度分布定解條件，可建立瓦斯在采空區流動的微分方程組（數學模型）：
2.2模擬求解
上述數學模型求解采用Galerkin有限單元法編制TurboC計算程序，輸入祁東礦7124工作面開采條件邊值，經反演優化，可得出7124工作面采空區瓦斯運移規律和濃度分布三帶。
（1）I涌出帶：采空區瓦斯在工作面切眼0～20m范圍內瓦斯濃度變化較大，一般在3％～15％之間，在涌出帶中，采空區丟煤的缷壓鄰近層解吸的瓦斯向工作面和采空區排放，進入涌出帶的瓦斯流動速度較快，多以層流形式存在，且這部分幾乎全部被工作面風流和采空區的漏風流攜帶到回風道內；
（2）II過渡帶：20～50m范圍內瓦斯濃度變化幅度較快，瓦斯濃度一般在20～30％之間，隨著工作面的推進，采空區進入過渡帶，過渡帶的瓦斯在工作面和采空區壓差作用下，一部分進入工作面，另一部分暫時或滯留在采空區內，該區域瓦斯流動速度也明顯下降，流動呈現出不均衡性，處于層、紊交錯階段；
III滯留帶50m以上范圍內瓦斯濃度變化較小，瓦斯濃度在35%～50％之間，而進入滯留帶時，釋放采空區內的瓦斯一般滯留在采空區的深部，流動速度較低。
上述三個帶不是固定不變的，隨著工作面的推進向前移動，采空區瓦斯涌出三帶出現“浪涌”現象，見圖1。
圖1 采空區瓦斯涌出三帶劃分圖
3采空區處理方法
（1）高位鉆孔抽放。圖2是皖北煤電公司祁東礦7124工作面利用高位鉆孔抽放采空區瓦斯。
工作面抽放瓦斯量8～12m3/min，累計抽放瓦斯量422萬m3。使工作面配風量由1800m3/min減到1200m3/min，回風流瓦斯濃度保持在0.5％～0.6％之間，該法能抽放出高濃度瓦斯，抽放量穩定，缺點是打鉆費用高。適用于有鄰近層開采的工作面，涌出量在15～20m3/min之間。
圖2 高位鉆孔抽放采空區瓦斯方法
（2）頂板巷道抽放。煤層群開采的綜采或綜放工作面，在采空區瓦斯涌出量較大時，可采用頂板走向或傾向巷道抽入采空區瓦斯。圖3是陽泉五礦8204和8202工作面利用頂板巷道抽放采空區瓦斯，使采空區抽放量達30～60m3/min，鄰近層抽放率達90％以上。該方法具有抽放時間長、瓦斯效果較好，但工程量大，需在頂板掘一條或多條巷道，適用于厚煤或有上鄰近層開采的工作面，工作面瓦斯涌出量在40 m3/min以上。
傾向高抽巷剖面圖
圖3 頂板巷道抽放采空區瓦斯方法
（3）綜合抽放采空區瓦斯。根據7124工作面采空區瓦斯模擬，過渡帶內20m左右瓦斯涌出比較活躍，而在該范圍內瓦斯高位鉆孔無法抽出，在原有的高位鉆孔基礎上，又增加了低位鉆孔，使鉆孔布置在煤層頂板5～8m范圍內，鉆孔與采空區冒落帶邊連通，用于攔截采空區和圍巖涌出的瓦斯，從而很好地解決了高位鉆場接替區域涌出帶和過渡帶的瓦斯涌出，使工作面上隅角瓦斯超限和聚集得到有效地控制，防止采空區瓦斯涌向工作面，抽入采空區瓦斯效果顯著。
4抽放采空區瓦斯方法展望
隨著生產規模擴大和開采水平延伸，采空區瓦斯涌出將日趨嚴重。特別是在低透氣煤層抽放瓦斯領域中，采空區抽放瓦斯將起主導地位。隨著礦井的抽放能力和裝備水平提高，采空區瓦斯將起主導地位。隨著礦井的抽放能力和裝備水平提高，采空區瓦斯抽放將從分散型向單一、高效發展，抽放效率高、技術先進、管理簡單、專用巷道抽放被淘汰，大直徑（300～500mm）高位頂板水平長鉆孔（1000m）將替代頂板高抽巷和目前短距離的高位鉆孔及采空區后方埋管抽放。
5結論
通過對采空區瓦斯涌出特征和處理方法分析認為：
（1）目前抽放采空區瓦斯是解決采空區瓦斯大量涌出量有效方法，對采空區瓦斯涌量大的礦井應根據本礦的實際情況，因地制宜，確定適宜抽放采空區瓦斯方法。在采取抽放措施前，首先摸清采空區瓦斯來源、涌出特征、采空區瓦斯涌出量大小及確定采空區流動帶范圍等抽放技術指標，做到有的放矢。
（2）采空區瓦斯流動帶（涌出帶、過渡帶和滯留事）三帶劃分為采空區瓦斯抽放提供理論依據，對類似的礦井可以借鑒。
（3）一般抽放采空區瓦斯最佳位置是距工作面切眼30～50m 范圍之間。但采空區瓦斯流出帶的范圍不是固定不變的，受煤層開采條件，特別是開采高度、頂板巖性和采空區瓦斯涌出源供給情況等因素的影響，同時，由于受工作面風流和采空區漏風量大小也有一定的影響，劃分時應全面考慮。
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