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。