高瓦斯礦井綜采工作面通風(fēng)方式的選擇優(yōu)化

1、高瓦斯礦井綜采工作面通風(fēng)方式的選擇優(yōu)化張福成 摘要：以某高瓦斯礦井為例，通過對“ U”型、“ U+L”型、“ Y”型通風(fēng)方式的模擬研究， 得出綜采面采空區(qū)風(fēng)流流場及采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊姆植恳?guī)律，為采空區(qū)瓦斯治理提供科學(xué)依 據(jù)，為礦井實(shí)現(xiàn)安全、高產(chǎn)、高效的生產(chǎn)局面創(chuàng)造條件，對同類型高瓦斯礦井通風(fēng)方式的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：高瓦斯，通風(fēng)方式，風(fēng)流流場，瓦斯?jié)舛?，分布?guī)律0引言某礦煤層賦存呈現(xiàn)高瓦斯、近距離、多煤層、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力前期300萬噸/年，后期改擴(kuò)建到 800萬噸/年。而該礦自2004年建成投產(chǎn)以來，一直未達(dá)到設(shè)計(jì)生 產(chǎn)能力，實(shí)際年產(chǎn)量僅為100萬噸/年左右。該礦煤層瓦斯

2、含量、工作面瓦斯涌出量在國內(nèi) 也是較少見的，同時(shí)還伴有瓦斯動力現(xiàn)象，現(xiàn)有抽放形式在一定程度上緩解了綜采工作面的瓦斯超限和局部區(qū)域瓦斯積聚，但未完全消除工作面生產(chǎn)中遇到的瓦斯隱患，在某些情況下，采煤機(jī)連續(xù)割煤3040min,工作面瓦斯探頭就會超限，形成斷電，造成工作面采煤機(jī)割割 停停，工作面不能正常生產(chǎn)，也給工作面的安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。瓦斯是制約生產(chǎn)和威脅該礦礦井安全的主要因素1-5。通過對綜采工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律的研究，全面而準(zhǔn)確地掌握該礦綜采工作面瓦斯涌出和運(yùn)移規(guī)律，為礦井生產(chǎn)局面創(chuàng)造好的條件。0工作面地質(zhì)概況該礦14205綜采面都位于南翼二采區(qū)， 工作面埋深約 500 m ,長度為200

3、m，采長為950 m,采用傾斜長壁后退式采煤法， 采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板 6。14205工作面開采4號 煤層（為礦井前期主采煤層），煤層平均厚度為2. 45 m。煤層結(jié)構(gòu)比較簡單，工作面頂、底板詳細(xì)情況見圖 1。巖石鬲芾屋厚仙巖性柱狀巖性描述秒質(zhì)能巖1.融次福色砂質(zhì)泥措，落息狀2100.6/ / _ X./Jr L F *-“， i*黑色，質(zhì)都可采瀚砂巖1.11I1-=f兒-/ 強(qiáng)灰色，梢藥層理砂質(zhì)潴巖工72/* mMHiwn 1、* F, Wr 、tiBiaKM UBAMBiaiU，長灰色，龍巖結(jié)構(gòu)世媒星1.0T fi 飛,m ， 二h1 . 一 */ / -=- 扁構(gòu)均L，內(nèi)生翦能發(fā)

4、育花巖3.11/ / :二二二二二二二:1 , 1 1 Bill1灰榴色花皆沖質(zhì)泥巖J 1?rk避雷點(diǎn)隹宣這點(diǎn)灰楣色砂靛泥船弱現(xiàn)屋理加砂措D.我r.一、中軸觸巖，深灰色.摩層技小蝶展L45/ ,一 一一. /三三三三含一層Ulm球爽時(shí)，檎定可乘砂盤潴指L卦/一三二t二r _1二、f - t t n n - S., . _ 、 f三一三三 %/ w三 灰褐色如粗砂巖，均包原理龍蠟3,/UI、灰黑色，中厚層狀，猊卷結(jié)構(gòu)5哦層1.739k1 B H r 黑色.檀定可來口砂巖82 r r r f b e r , 淺灰色中砂巖，地勾展理圖1煤巖層柱狀圖Columnar section of coal a

5、nd rock seams1工作面通風(fēng)方式的選擇優(yōu)化近十多年來，我國綜合機(jī)械化采煤方法得到了快速發(fā)展，但高瓦斯涌出一直是制約綜采工作面安全、高效生產(chǎn)的主要因素之一。治理綜合機(jī)械化開采瓦斯問題主要可采取3個(gè)方面的技術(shù)措施，即加強(qiáng)通風(fēng)、加強(qiáng)瓦斯抽放以及綜合通風(fēng)與瓦斯抽放，其中加強(qiáng)通風(fēng)是解決綜采面高瓦斯涌出的最基礎(chǔ)和最直接的手段。通過對“U型、 Y型及“ U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，研究分析三種通風(fēng)方式的特點(diǎn)，并結(jié)合該礦的實(shí)際生產(chǎn)情況確定合理的綜采工作面通風(fēng)系統(tǒng)7-12?！癠”型通風(fēng)系統(tǒng)模擬研究“U”型通風(fēng)系統(tǒng)在實(shí)踐中較為常見，它由進(jìn)風(fēng)巷、工作面和回風(fēng)巷構(gòu)成的采煤工作面 通風(fēng)系統(tǒng)，如圖2所

6、示；圖2“ U”型通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Schematic diagram of U type ventilation system本文首先模擬了 U型通風(fēng)條件下采空區(qū)流場及瓦斯?jié)舛确植迹鐖D 3所示。從圖3(a)可以看出，U型通風(fēng)條件下，米空區(qū)漏風(fēng)流線和風(fēng)壓分布較為對稱。在工作面進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)壓 最大而上隅角處風(fēng)壓最小， 且兩點(diǎn)附近風(fēng)壓梯度最大，從而使在兩點(diǎn)漏入和漏出采空區(qū)的風(fēng)流較為集中。在工作面中部由于風(fēng)流壓差較小，漏風(fēng)相應(yīng)減少；在采空區(qū)深處由于冒落肝石的壓實(shí)作用，風(fēng)流阻力增大，漏風(fēng)也迅速減少。正是由于“U”型通風(fēng)采空區(qū)流場的這種分布特征，導(dǎo)致圖3(b)中采空區(qū)瓦斯?jié)舛纫怨ぷ髅孢M(jìn)風(fēng)口為中心，沿采空區(qū)深

7、度和工作面長度方向逐漸增大。以上模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)踐和前人研究成果較為一致。m/向方度長面作工yo o o O 0 5 0 5 2 11100200300采空區(qū)深度方向/m(a)流線及壓力分布400 xdistribution of streamline and pressurey200再向方度長面作工5010050175% 50%95% : 20% W0.5%1% 2% 5%10%0100200300400采空區(qū)深度方向/m(b)瓦斯?jié)舛确植糳istribution of gas concentration圖3“U”型通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)流場及瓦斯?jié)舛饶M結(jié)果Fig. 3 Simulation re

8、suits of flow field and gas concentration in U type ventilation system goaf2.2 “Y”型通風(fēng)系統(tǒng)模擬研究圖4為“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)示意圖?！癥”型通風(fēng)系統(tǒng)是一種以通風(fēng)方法分源治理綜合機(jī)械化開采采場高瓦斯涌出的新型通風(fēng)系統(tǒng)，其本質(zhì)在于比常規(guī)的“U”型通風(fēng)系統(tǒng)增加了一條沿空小斷面排瓦斯專用巷，排瓦斯能力較強(qiáng)而且可控，同時(shí)在一定程度上解決了目前綜合機(jī)械 化開采瓦斯治理中存在的掘采接續(xù)緊張、排瓦斯巷維護(hù)困難、護(hù)巷煤柱損失等問題，適于不易自燃煤層高瓦斯綜采工作面使用。圖4“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig. 4Schematic dia

9、gram of Y type ventilation system由于“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)的排瓦斯專用巷沿采空區(qū)布置，極大地改變了采空區(qū)的漏風(fēng)流場形態(tài)和瓦斯運(yùn)移特征， 實(shí)現(xiàn)了對采空區(qū)和上隅角瓦斯涌出的有效治理。因此，有必要深入分析“Y”型通風(fēng)綜采工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場特征及瓦斯運(yùn)移規(guī)律，可以為完善和合理運(yùn)用“Y”型通風(fēng)及其調(diào)控技術(shù)提供更充分的依據(jù)。在工作面推進(jìn)過程中，將進(jìn)入采空區(qū)的回風(fēng)巷道區(qū)段繼續(xù)保留作排瓦斯專用，利用全煤錨網(wǎng)支護(hù)巷道在開采后形成的隅角“免壓”區(qū)做掩護(hù)，實(shí)施沿空留巷，確保實(shí)現(xiàn)可靠的通風(fēng)斷面和安全要求，構(gòu)成“兩進(jìn)一回”分源治理瓦斯系統(tǒng)，即皮帶巷(進(jìn)風(fēng))、軌道巷(進(jìn)風(fēng))和采空區(qū)沿空留排瓦

10、斯專用巷(回風(fēng))構(gòu)成。沿空排瓦斯專用巷縱貫采空區(qū)，從根本上改變 了采空區(qū)瓦斯源的流向，消除了采空區(qū)瓦斯引起工作面和上隅角局部地點(diǎn)瓦斯積聚的可能性。當(dāng)采區(qū)風(fēng)壓不足時(shí)，在排瓦斯專用巷增設(shè)輔助通風(fēng)動力，采用抽瓦斯風(fēng)機(jī)一風(fēng)筒成套系統(tǒng)，將排瓦斯專用巷的較高瓦斯?jié)舛蕊L(fēng)流直接通過風(fēng)筒抽排到采區(qū)回風(fēng)巷，且排瓦斯能力可 根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)控。本文模擬得到了圖5所示白Y “ Y”型通風(fēng)采空區(qū)流場及瓦斯?jié)舛确植迹涮攸c(diǎn)如下:加向方度長面作工y200150100流線50風(fēng)壓等值線100200300400X采空區(qū)深度方向/m(a)流線及壓力分布m/向方度長面作工yj20015010050(a) distribution o

11、f streamline and pressure3.5%2.5%1.5%0.5%200100X采空區(qū)深度方向/m(b)瓦斯?jié)舛确植?b) distribution of gas concentration圖5 “Y”型通風(fēng)采空區(qū)流場及瓦斯?jié)舛饶M結(jié)果Fig. 5 Simulation resuits of flow field and gas concentration in Y type ventilation system goaf“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)排瓦斯專用巷的抽排作用相當(dāng)明顯，徹底改變了整個(gè)采空區(qū)流場的分布特征。沿整個(gè)工作面漏風(fēng)方向均指向采空區(qū)，而采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)流又全部匯入排瓦斯專用巷，

12、并且在工作面進(jìn)風(fēng)口和排瓦斯專用巷末端為漏風(fēng)速率極大值區(qū)域。“Y”型通風(fēng)采空區(qū)風(fēng)壓在工作面進(jìn)風(fēng)口處最大，并且沿工作面方向與采空區(qū)深度 方向逐漸減小。風(fēng)壓等值線在采空區(qū)中部與工作面基本平行；在靠近工作面處受工作面風(fēng)壓影響向工作面彎曲；當(dāng)靠近排瓦斯專用巷末端時(shí)，受巷道抽排作用的影響而向巷道一側(cè)彎曲，且風(fēng)壓梯度驟升。(3)在排瓦斯專用巷中后部出現(xiàn)了從巷道流向采空區(qū)、爾后再返回巷道的漏風(fēng)現(xiàn)象。U型通風(fēng)采空區(qū)流場的這是因?yàn)榇藚^(qū)段受工作面風(fēng)壓的影響已很小，采空區(qū)流場呈現(xiàn)出類似 情況，因此有類似的漏向采空區(qū)的風(fēng)流存在。(4) “Y”型通風(fēng)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛入S采空區(qū)深度的增加逐漸增大。但由于排瓦斯專用 巷縱貫整個(gè)

13、采空區(qū)的抽排作用，避免了 “ U”型通風(fēng)條件下采空區(qū)后部高濃度瓦斯聚集的現(xiàn) 象，整個(gè)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛染^低2.3 “U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)模擬研究“U+L”型通風(fēng)方式又可分為兩進(jìn)一回和一進(jìn)兩回兩種通風(fēng)方式。兩進(jìn)一回通風(fēng)方式 表示由軌道巷(進(jìn)風(fēng))、工作面、皮帶巷(進(jìn)風(fēng))和瓦斯尾巷構(gòu)成的綜采面通風(fēng)系統(tǒng)，如圖 6(a)所示；一進(jìn)兩回通風(fēng)方式表示由軌道巷(進(jìn)風(fēng))、工作面、皮帶巷(回風(fēng))和瓦斯尾巷 構(gòu)成的綜采面通風(fēng)系統(tǒng)，如圖 6(b)所示。(由于工作面瓦斯?jié)舛却螅杓訌?qiáng)進(jìn)風(fēng)且一進(jìn)兩回 的“U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)在回風(fēng)巷(皮帶巷)由于采用皮帶運(yùn)輸煤炭，在運(yùn)輸過程中亦釋放 瓦斯，該巷道內(nèi)瓦斯容易超限，故只考慮兩進(jìn)一

14、回的“U+L”型通風(fēng)系統(tǒng))。(a)兩進(jìn)一回(a) two intake one return(b) 一進(jìn)兩回(b) one intake two return圖6 “U+ L”型通風(fēng)系統(tǒng)示意圖Fig. 6Schematic diagram of U+L type ventilation system“U+L”型通風(fēng)條件下采空區(qū)流場及瓦斯?jié)舛确植既鐖D7所示。從圖7(a)可以看出，“U+ L”型通風(fēng)條件下，從瓦斯尾巷流出的風(fēng)流為深部風(fēng)流，瓦斯尾巷流帶形成一條“屏障”， 阻止了采空區(qū)深部瓦斯向上隅角的涌入，上隅角瓦斯?jié)舛蕊@著降低。在工作面進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)壓最大而瓦斯尾巷出口處風(fēng)壓最小，且兩點(diǎn)附近風(fēng)壓梯度最

15、大，從而使從瓦斯尾巷流出采空區(qū)的風(fēng)流較為集中。在工作面進(jìn)風(fēng)口處及中部風(fēng)流壓差較小，漏風(fēng)相應(yīng)較?。辉诓煽諈^(qū)深處由于冒落肝石的壓實(shí)作用，風(fēng)流阻力增大，漏風(fēng)也迅速減少。正是由于“U+L”型通風(fēng)采空區(qū)流場的這種分布特征，導(dǎo)致采空區(qū)回風(fēng)側(cè)瓦斯高濃度曲線明顯往采空區(qū)深度移動，如圖7(b)所示。200150100一X采空區(qū)深度方向/m(a)流線及壓力分布m/向方度長面作工(a) distribution of streamline and pressure采空區(qū)深度方向/m(b)瓦斯?jié)舛确植?b) distribution of gas concentration圖7“U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)流場及瓦斯?jié)舛?/p>

16、模擬結(jié)果再向方度長面作工Fig. 7 Simulation resuits of flow field and gas concentration in U+L type ventilation system goaf2數(shù)值模擬結(jié)果分析從以上數(shù)值模擬結(jié)果及分析可知，“U”型通風(fēng)條件下，上隅角是采空區(qū)向工作面的集中漏風(fēng)匯，且該處附近為采空區(qū)高瓦斯分布區(qū)域，因此，“U”型通風(fēng)工作面上隅角是瓦斯積聚和瓦斯超限的易發(fā)地點(diǎn)。從“U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)與“ U”型通風(fēng)系統(tǒng)比較可以看出，采空區(qū)的高瓦斯?jié)舛惹€明 顯往采空區(qū)深度移動， 工作面沿線漏風(fēng)流方向均指向瓦斯尾巷口，采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)流較大部分匯入瓦斯尾巷，減小

17、了向上隅角的漏風(fēng)。因此，減弱了常規(guī)“U”型通風(fēng)條件下由于采空區(qū)瓦斯在上隅角集中涌出而導(dǎo)致的瓦斯超限隱患，有效的控制了上隅角瓦斯超限的問題?！癥”型通風(fēng)采空區(qū)流場的數(shù)值模擬結(jié)果表明，其采空區(qū)流場完全不同， 對工作面沿線漏風(fēng)流方向均指向采空區(qū)內(nèi)部，采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)流又全部匯入排瓦斯專用巷而無向上隅角的漏 風(fēng)，消除了采空區(qū)向上隅角的漏風(fēng)，因此能夠有效解決上隅角瓦斯問題。另外，Y型通風(fēng)條件下，采空區(qū)瓦斯隨漏風(fēng)流經(jīng)排瓦斯專用巷連續(xù)排出，避免了采空區(qū)后部高濃度瓦斯聚集現(xiàn)象，整個(gè)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛容^“U”型和“ U+L”通風(fēng)采空區(qū)大幅降低，但由于在排瓦斯專用巷中后部出現(xiàn)類似 U型通風(fēng)采空區(qū)流場，采空區(qū)漏風(fēng)流主要從

18、該巷道末段匯入，且 攜帶瓦斯?jié)舛容^高，故該段瓦斯?jié)舛妊杆偕?。因此，在?shí)際應(yīng)用“Y”型通風(fēng)技術(shù)時(shí)，需注意防止排瓦斯專用巷末段瓦斯?jié)舛瘸蕖！癥”型通風(fēng)系統(tǒng)適用于不易自燃煤層高瓦斯采煤工作面。在此前提下，應(yīng)針對不同工作面條件，具體分析和掌握其采空區(qū)流場和瓦斯運(yùn)移的變化規(guī)律，以便更好地運(yùn)用“ Y”型通風(fēng)及其調(diào)控技術(shù)。3綜采工作面合理通風(fēng)系統(tǒng)的確定根據(jù)以上對綜采工作面采空區(qū)流場及瓦斯?jié)舛确植嫉臄?shù)值模擬分析及該礦的實(shí)際情況， 綜合確定該礦的綜采工作面合理的通風(fēng)系統(tǒng)。針對上述的數(shù)值模擬結(jié)果，顯而易見，“U+L”型和“ Y”型通風(fēng)系統(tǒng)要優(yōu)于“ U”型通風(fēng)系統(tǒng)。相比較“ U+L”型和“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)，在高瓦斯礦井“ Y”型通風(fēng)系統(tǒng)在采空區(qū)瓦斯涌 出方面要比“ U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)較優(yōu)越，但是針對該礦的現(xiàn)場實(shí)際情況，“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)又存在以下缺陷和技術(shù)難點(diǎn)：“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)需要增加一條沿空小斷面排瓦斯專用巷這涉及到沿空留巷