高瓦斯矿井综采工作面通风方式的选择优化

高瓦斯矿井综采工作面通风方式的选择优化

张福成

摘要：以某高瓦斯矿井为例，通过对“U”型、“U+L”型、“Y”型通风方式的模拟研究，得出综采面采空区风流流场及采空区瓦斯浓度的分部规律，为采空区瓦斯治理提供科学依据，为矿井实现安全、高产、高效的生产局面创造条件，对同类型高瓦斯矿井通风方式的选择具有重要的指导意义。

关键词：高瓦斯，通风方式，风流流场，瓦斯浓度，分布规律

0引言

某矿煤层赋存呈现高瓦斯、近距离、多煤层、不稳定等特点，设计生产能力前期300

万吨/年，后期改扩建到800万吨/年。而该矿自2004年建成投产以来, 一直未达到设计生产能力,实际年产量仅为100万吨/年左右。该矿煤层瓦斯含量、工作面瓦斯涌出量在国内也是较少见的，同时还伴有瓦斯动力现象，现有抽放形式在一定程度上缓解了综采工作面的瓦斯超限和局部区域瓦斯积聚，但未完全消除工作面生产中遇到的瓦斯隐患，在某些情况下，采煤机连续割煤30～40min，工作面瓦斯探头就会超限，形成断电，造成工作面采煤机割割停停，工作面不能正常生产，也给工作面的安全生产造成严重威胁。瓦斯是制约生产和威胁该矿矿井安全的主要因素[1-5]。

通过对综采工作面瓦斯运移规律的研究，全面而准确地掌握该矿综采工作面瓦斯涌出和运移规律，为矿井生产局面创造好的条件。

0工作面地质概况

该矿14205综采面都位于南翼二采区，工作面埋深约500 m , 长度为200 m ,采长为950 m，采用倾斜长壁后退式采煤法，采用全部垮落法管理采空区顶板[6]。14205工作面开采4 号煤层（为矿井前期主采煤层），煤层平均厚度为2. 45 m。煤层结构比较简单，工作面顶、底板详细情况见图1。

图1 煤岩层柱状图

Fig. 1 Columnar section of coal and rock seams

1工作面通风方式的选择优化

近十多年来，我国综合机械化采煤方法得到了快速发展，但高瓦斯涌出一直是制约综采工作面安全、高效生产的主要因素之一。治理综合机械化开采瓦斯问题主要可采取3个方面的技术措施，即加强通风、加强瓦斯抽放以及综合通风与瓦斯抽放，其中加强通风是解决综采面高瓦斯涌出的最基础和最直接的手段。通过对“U”型、“Y”型及“U＋L”型通风系统进行计算机数值模拟，研究分析三种通风方式的特点，并结合该矿的实际生产情况确定合理的综采工作面通风系统[7-12]。

2.1“U”型通风系统模拟研究

“U”型通风系统在实践中较为常见，它由进风巷、工作面和回风巷构成的采煤工作面

通风系统，如图2所示；

图2 “U”型通风系统示意图

Fig. 2 Schematic diagram of U type ventilation system

本文首先模拟了U型通风条件下采空区流场及瓦斯浓度分布，如图3所示。从图3(a)

可以看出，U 型通风条件下，采空区漏风流线和风压分布较为对称。在工作面进风口处风压最大而上隅角处风压最小，且两点附近风压梯度最大，从而使在两点漏入和漏出采空区的风流较为集中。在工作面中部由于风流压差较小，漏风相应减少；在采空区深处由于冒落矸石的压实作用，风流阻力增大，漏风也迅速减少。正是由于“U ”型通风采空区流场的这种分布特征，导致图3(b)中采空区瓦斯浓度以工作面进风口为中心，沿采空区深度和工作面长度方向逐渐增大。以上模拟结果与现场实践和前人研究成果较为一致。

采空区深度方向/m 工作面长度方向/m

(a) 流线及压力分布

(a) distribution of streamline and pressure

采空区深度方向/m 工作面长度方向/m

(b) 瓦斯浓度分布

（b ）distribution of gas concentration

图3 “U ”型通风系统采空区流场及瓦斯浓度模拟结果

Fig. 3 Simulation resuits of flow field and gas concentration in U type ventilation system goaf

2.2“Y ”型通风系统模拟研究

图4为“Y ”型通风系统示意图。“Y ”型通风系统是一种以通风方法分源治理综合机械化开采采场高瓦斯涌出的新型通风系统，其本质在于比常规的“U ”型通风系统增加了一条沿空小断面排瓦斯专用巷,排瓦斯能力较强而且可控,同时在一定程度上解决了目前综合机械化开采瓦斯治理中存在的掘采接续紧张、排瓦斯巷维护困难、护巷煤柱损失等问题,适于不易自燃煤层高瓦斯综采工作面使用。

图4 “Y ”型通风系统示意图

Fig. 4 Schematic diagram of Y type ventilation system

由于“Y ”型通风系统的排瓦斯专用巷沿采空区布置,极大地改变了采空区的漏风流场形态和瓦斯运移特征，实现了对采空区和上隅角瓦斯涌出的有效治理。因此，有必要深入分析“Y ”型通风综采工作面采空区漏风流场特征及瓦斯运移规律，可以为完善和合理运用“Y ”型通风及其调控技术提供更充分的依据。

在工作面推进过程中，将进入采空区的回风巷道区段继续保留作排瓦斯专用,利用全煤锚网支护巷道在开采后形成的隅角“免压”区做掩护，实施沿空留巷，确保实现可靠的通风断面和安全要求，构成“两进一回”分源治理瓦斯系统，即皮带巷（进风）、轨道巷（进风）和采空区沿空留排瓦斯专用巷（回风）构成。沿空排瓦斯专用巷纵贯采空区，从根本上改变了采空区瓦斯源的流向，消除了采空区瓦斯引起工作面和上隅角局部地点瓦斯积聚的可能性。当采区风压不足时，在排瓦斯专用巷增设辅助通风动力，采用抽瓦斯风机—风筒成套系统，将排瓦斯专用巷的较高瓦斯浓度风流直接通过风筒抽排到采区回风巷，且排瓦斯能力可根据需要进行调控。

本文模拟得到了图5所示的“Y ”型通风采空区流场及瓦斯浓度分布，其特点如下：

工作面长度方向/m 采空区深度方向/m

(a) 流线及压力分布

(a) distribution of streamline and pressure

工作面长度方向/m 采空区深度方向/m

(b) 瓦斯浓度分布

(b) distribution of gas concentration

图5 “Y ”型通风采空区流场及瓦斯浓度模拟结果

Fig. 5 Simulation resuits of flow field and gas concentration in Y type ventilation system goaf

（1）“Y ”型通风系统排瓦斯专用巷的抽排作用相当明显，彻底改变了整个采空区流场的分布特征。沿整个工作面漏风方向均指向采空区，而采空区内漏风流又全部汇入排瓦斯专用巷，并且在工作面进风口和排瓦斯专用巷末端为漏风速率极大值区域。

（2）“Y ”型通风采空区风压在工作面进风口处最大，并且沿工作面方向与采空区深度方向逐渐减小。风压等值线在采空区中部与工作面基本平行；在靠近工作面处受工作面风压影响向工作面弯曲；当靠近排瓦斯专用巷末端时，受巷道抽排作用的影响而向巷道一侧弯曲，且风压梯度骤升。

（3）在排瓦斯专用巷中后部出现了从巷道流向采空区、尔后再返回巷道的漏风现象。

这是因为此区段受工作面风压的影响已很小，采空区流场呈现出类似U型通风采空区流场的情况，因此有类似的漏向采空区的风流存在。

（4）“Y”型通风采空区内瓦斯浓度随采空区深度的增加逐渐增大。但由于排瓦斯专用巷纵贯整个采空区的抽排作用，避免了“U”型通风条件下采空区后部高浓度瓦斯聚集的现象，整个采空区内瓦斯浓度均较低

2.3“U＋L”型通风系统模拟研究

“U＋L”型通风方式又可分为两进一回和一进两回两种通风方式。两进一回通风方式表示由轨道巷（进风）、工作面、皮带巷（进风）和瓦斯尾巷构成的综采面通风系统，如图6(a)所示；一进两回通风方式表示由轨道巷（进风）、工作面、皮带巷（回风）和瓦斯尾巷构成的综采面通风系统，如图6(b)所示。（由于工作面瓦斯浓度大，需加强进风且一进两回的“U＋L”型通风系统在回风巷（皮带巷）由于采用皮带运输煤炭，在运输过程中亦释放瓦斯，该巷道内瓦斯容易超限，故只考虑两进一回的“U＋L”型通风系统）。

(a)两进一回

(a) two intake one return

(b)一进两回

(b) one intake two return

图6“U＋L”型通风系统示意图

Fig. 6 Schematic diagram of U+L type ventilation system

“U＋L”型通风条件下采空区流场及瓦斯浓度分布如图7所示。从图7(a)可以看出，“U ＋L”型通风条件下，从瓦斯尾巷流出的风流为深部风流，瓦斯尾巷流带形成一条“屏障”，阻止了采空区深部瓦斯向上隅角的涌入，上隅角瓦斯浓度显著降低。在工作面进风口处风压最大而瓦斯尾巷出口处风压最小，且两点附近风压梯度最大，从而使从瓦斯尾巷流出采空区的风流较为集中。在工作面进风口处及中部风流压差较小，漏风相应较小；在采空区深处由于冒落矸石的压实作用，风流阻力增大，漏风也迅速减少。正是由于“U+L”型通风采空区流场的这种分布特征，导致采空区回风侧瓦斯高浓度曲线明显往采空区深度移动，如图7(b)所示。

工作面长度方向/m 采空区深度方向/m

(a) 流线及压力分布

(a) distribution of streamline and pressure

工作面长度方向/m 采空区深度方向/m

(b) 瓦斯浓度分布

(b) distribution of gas concentration

图7 “U+L ”型通风系统采空区流场及瓦斯浓度模拟结果

Fig. 7 Simulation resuits of flow field and gas concentration in U+L type ventilation system goaf 2 数值模拟结果分析

从以上数值模拟结果及分析可知，“U ”型通风条件下，上隅角是采空区向工作面的集中漏风汇，且该处附近为采空区高瓦斯分布区域，因此，“U ”型通风工作面上隅角是瓦斯积聚和瓦斯超限的易发地点。

从“U+L ”型通风系统与“U ”型通风系统比较可以看出，采空区的高瓦斯浓度曲线明显往采空区深度移动，工作面沿线漏风流方向均指向瓦斯尾巷口，采空区内漏风流较大部分汇入瓦斯尾巷，减小了向上隅角的漏风。因此，减弱了常规“U ”型通风条件下由于采空区瓦斯在上隅角集中涌出而导致的瓦斯超限隐患，有效的控制了上隅角瓦斯超限的问题。

“Y ”型通风采空区流场的数值模拟结果表明，其采空区流场完全不同，对工作面沿线漏风流方向均指向采空区内部，采空区内漏风流又全部汇入排瓦斯专用巷而无向上隅角的漏风，消除了采空区向上隅角的漏风，因此能够有效解决上隅角瓦斯问题。另外，“Y ”型通风条件下，采空区瓦斯随漏风流经排瓦斯专用巷连续排出，避免了采空区后部高浓度瓦斯聚集现象，整个采空区内瓦斯浓度较“U ”型和“U+L ”通风采空区大幅降低，但由于在排瓦斯专用巷中后部出现类似U 型通风采空区流场，采空区漏风流主要从该巷道末段汇入，且携带瓦斯浓度较高，故该段瓦斯浓度迅速升高。因此，在实际应用“Y ”型通风技术时，需注意防止排瓦斯专用巷末段瓦斯浓度超限。“Y ”型通风系统适用于不易自燃煤层高瓦斯采煤工作面。在此前提下，应针对不同工作面条件，具体分析和掌握其采空区流场和瓦斯运移

的变化规律，以便更好地运用“Y”型通风及其调控技术。

3综采工作面合理通风系统的确定

根据以上对综采工作面采空区流场及瓦斯浓度分布的数值模拟分析及该矿的实际情况，综合确定该矿的综采工作面合理的通风系统。

针对上述的数值模拟结果，显而易见，“U＋L”型和“Y”型通风系统要优于“U”型通风系统。

相比较“U＋L”型和“Y”型通风系统，在高瓦斯矿井“Y”型通风系统在采空区瓦斯涌出方面要比“U＋L”型通风系统较优越，但是针对该矿的现场实际情况，“Y”型通风系统又存在以下缺陷和技术难点：①“Y”型通风系统需要增加一条沿空小断面排瓦斯专用巷,这涉及到沿空留巷问题。②“Y”型通风系统的采空区内排瓦斯专用巷需要在采空区后部有相应的巷道与之连通进行排放，与该矿现有的采区巷道不适应。③由于该矿开采煤层的瓦斯涌出量大，现有的巷道掘进方式基本上采用双巷掘进，而“Y”型通风系统无需采用双巷掘进，而单巷掘进无法有效解决掘进过程的瓦斯涌出难题。④该矿正在进行瓦斯抽采利用方面的研究，计划实现煤与瓦斯共采。采用“Y”型通风系统由于采空区瓦斯与进风混合，因此，抽采的瓦斯浓度较低，不能实现对抽放瓦斯的综合利用。

因此，综合数值模拟分析与该矿的现场实际情况，对14205工作面通风系统进行优化设计，最终确定该矿综采工作面采用两进一回的“U＋L”型通风系统。