Y型通風(fēng)下采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律及治理研究

　　摘 要：針對Y型綜放面通風(fēng)特點，組建Y型采空區(qū)綜放面通風(fēng)模擬流體計算模型。經(jīng)過模擬數(shù)值研究Y型采空區(qū)綜放面流場與瓦斯流動規(guī)律，并將U型系統(tǒng)通風(fēng)與Y型系統(tǒng)通風(fēng)進(jìn)行比較分析，從而獲得采空區(qū)瓦斯流動與流場運動的特點，并將研究結(jié)果運用在高瓦斯工作面Y型系統(tǒng)通風(fēng)中，通過實際工作面具體情況設(shè)計建立CFD模型，最終獲得Y型采空區(qū)系統(tǒng)通風(fēng)瓦斯流動和分布情況，其模擬數(shù)據(jù)的結(jié)果和現(xiàn)場數(shù)據(jù)吻合，從而為系統(tǒng)通風(fēng)與治理瓦斯工作提供優(yōu)化依據(jù)。

　　本文源自高茜， 西部探礦工程 發(fā)表時間：2021-07-07

　　關(guān)鍵詞：瓦斯流動;采空巷;Y型系統(tǒng)通風(fēng);高瓦斯

　　近年，中國在綜采的方法、技術(shù)上取得高速發(fā)展，可是工作面出現(xiàn)高瓦斯噴涌是制約工作面開采生產(chǎn)、安全最主要的原因。國外利用 CFD 對工作面不同通風(fēng)采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行瓦斯流動分布模擬。國內(nèi)有關(guān)機(jī)構(gòu)也對通風(fēng)采空區(qū)內(nèi)瓦斯流動和流場進(jìn)行模擬。通過模擬獲得數(shù)據(jù)總結(jié)得知，治理開采工作面時的瓦斯噴涌問題應(yīng)采取的措施為：加強(qiáng)現(xiàn)有通風(fēng)量、抽放瓦斯與系統(tǒng)通風(fēng)綜合、加大抽放瓦斯能力，在上述措施中，加大通風(fēng)量是最直接、最基礎(chǔ)解決高瓦斯噴涌的方法。本文通過工作面高瓦斯治理為例，其沿空巷采用 Y 型方式進(jìn)行通風(fēng)，而且在沿空巷回風(fēng)巷鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放，從而降低減少了瓦斯的聚集量，保證了生產(chǎn)安全[1]。

　　1 工作面狀況

　　工作面煤層的厚度為2.5m，煤層的傾角為7°，最大瓦斯噴涌量為 33.65m3 /min，平均噴涌 33.56m3 /min，相對涌出瓦斯8.19m3 /t，平均涌出瓦斯8.17m3 /t。綜放走向長為 584m，傾向長為 151m。本區(qū)域的煤層很厚，地質(zhì)簡單，賦存較為穩(wěn)定，非常適合放頂機(jī)械化采煤，其放頂機(jī)械化采煤日產(chǎn)可達(dá)3000t。

　　2 流體的模型建立

　　2.1 采空區(qū)控制滲流方程

　　首先把采空區(qū)綜放面設(shè)定為混合體煤巖組成的介質(zhì)為多孔空間，因為煤體松散孔隙分布不太均勻，漏風(fēng)流與漏風(fēng)源無法確定，煤體松散孔隙中流場漏風(fēng)非常復(fù)雜，其采空區(qū)風(fēng)流主要包括過度流、層流、紊流等[2]。所應(yīng)用的方程為滲流非線性方程： EJ = U g ( 1 + VBDm nj ) - v 式中:E——煤體滲透率,m2 ; J——坡度的壓力; U——煤體粘性運動的系數(shù),m2 /s; Dm——平均粒徑; V——裂隙帶風(fēng)速 , m/s; nj——裂隙帶孔隙率; v——滲流的速度 , m/s; g——煤體重力速度,9.81m/s2 ; B——多孔粒子系數(shù)。

　　2.2 采空區(qū)滲透率與空隙率

　　采空區(qū)巷道工作面漏風(fēng)的強(qiáng)度與煤體空隙存在直接的關(guān)系，煤體空隙率主要分兩大類：一個是松散的煤體空隙，二是頂板垮落孔隙。煤體松散空隙會直接對煤體的燃點以及氧氣分布、滲透產(chǎn)生影響，頂板的空隙將會對煤體散熱漏風(fēng)產(chǎn)生影響。當(dāng)工作面向前開拓的同時，煤體空隙也將隨著變化。當(dāng)?shù)V壓很大時其孔隙率將會變小[3]。當(dāng)時間作用的越長時其孔隙率將會越小，相反就會越大。

　　2.3 采空區(qū)U型工作面通風(fēng)建立模型與條件邊界分析

　　模型坐標(biāo)的原點是模擬矩形回風(fēng)巷中心點位置，如圖 1坐標(biāo)系左邊原點位置，回風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)巷為 X 軸，頂板方向為 Y 軸，回風(fēng)巷的風(fēng)流向為 Z 軸。U 型工作面通風(fēng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)量800m3 /min，Y型工作面通風(fēng)兩進(jìn)風(fēng)風(fēng)量分別是 600m3 /min，200m3 /min。其氣體的成分比為 21% 氧氣、0.4% 甲烷，其它是氮氣。表 1 為通風(fēng)設(shè)置參數(shù)表。

　　3 采場模擬數(shù)據(jù)分析

　　3.1 U型采場通風(fēng)瓦斯規(guī)律分布

　　3.1.1 傾斜工作面瓦斯規(guī)律分布

　　(1)在工作面距離很近采空區(qū)里，因為風(fēng)流方向為進(jìn)風(fēng)向回風(fēng)流動，瓦斯向著回風(fēng)側(cè)流動，這樣瓦斯的濃度會越聚越多。在回風(fēng)巷與上隅角瓦斯的濃度將成為最高區(qū)域[4]。

　　(2)在回風(fēng)端工作面瓦斯的濃度遞增較大，進(jìn)風(fēng)端工作面瓦斯的濃度遞增較小。濃度大小主要取決于工作面的漏風(fēng)情況。回風(fēng)工作面瓦斯的濃度遞增是因為采空區(qū)風(fēng)流的原因。

　　3.1.2 采空區(qū)工作面瓦斯的濃度規(guī)律分布

　　根據(jù)模擬從隅角向采空區(qū)瓦斯的濃度逐步增高，據(jù)工作面的距離越遠(yuǎn)其濃度將會越大。采空區(qū)里瓦斯的濃度較高地區(qū)也就是采場瓦斯的濃度較高區(qū)，在這一區(qū)域也是抽放瓦斯理想點，客觀上看，因為工作面附近采空區(qū)滲流的速度較小，因此將形成瓦斯的濃度較高地區(qū)，這將是水平高位瓦斯抽放理想?yún)^(qū)。

　　3.2 Y型采場通風(fēng)瓦斯規(guī)律分布

　　3.2.1 Y型工作面通風(fēng)傾斜瓦斯的濃度規(guī)律分布

　　(1)在工作面距離很近采空區(qū)里，因為風(fēng)流方向為進(jìn)風(fēng)向回風(fēng)流動，在Y型方式通風(fēng)下，因為兩條的進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)壓各不相同，致使上隅角與回風(fēng)巷瓦斯聚集量很低，其瓦斯的濃度顯現(xiàn)從較高區(qū)向著深部采空區(qū)流動趨勢。

　　(2)在進(jìn)風(fēng)巷工作面瓦斯的濃度不一，這是因為兩側(cè)的風(fēng)壓各不相同，風(fēng)壓大的巷道其瓦斯的濃度較小，瓦斯的濃度大小取決于Y型工作面的通風(fēng)情況[5]。

　　3.2.2 Y型采空區(qū)通風(fēng)瓦斯的濃度規(guī)律分布

　　在水平上看，從隅角向采空區(qū)的中部瓦斯的濃度逐步增高。采空區(qū)里瓦斯的濃度較高地區(qū)也就是工作面瓦斯的濃度較高區(qū)，縱向看，因為采空區(qū)的深部其濃度較大，其濃度大小取決于工作面的漏風(fēng)狀況，另外，在附近將形成瓦斯的濃度較高區(qū)，這也是理想抽放瓦斯采空區(qū)。

　　3.3 Y型的通風(fēng)與U型的通風(fēng)情況比

　　U 型工作面通風(fēng)的系統(tǒng)布置的巷道簡單，維護(hù)方便，因為瓦斯的流暢具有一定的特殊情況，瓦斯容易聚集在上隅角造成其濃度超過安全界限，使工作面生產(chǎn)造成安全隱患。Y型工作面通風(fēng)的系統(tǒng)布置需在采空區(qū)設(shè)一巷道，其巷道維護(hù)、填充的工作量很大，但是優(yōu)勢很多[6]。由于兩種方式通風(fēng)不同，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布與瓦斯的流場不同，其瓦斯的流場通風(fēng)分布見圖 2。

　　兩者比較，Y型工作面通風(fēng)優(yōu)點如下：

　　(1)因為采空區(qū)瓦斯會涌入巖巷、回風(fēng)巷里，這樣能夠最大程度解決瓦斯的濃度過高問題。

　　(2)工作面的順槽與風(fēng)巷都處在進(jìn)風(fēng)流里，從而改善工作的環(huán)境。

　　(3)其沿空的留空巷能夠增加煤炭的回收。

　　(4)其工作面由于開采方式為無煤柱生產(chǎn)，因此應(yīng)力區(qū)被消除并擴(kuò)大了區(qū)域泄壓的范圍。

　　(5)因為工作面的通風(fēng)量增加，所以，瓦斯排放能力得到加強(qiáng)，工作面的溫度得到控制。

　　4 結(jié)論

　　由于采空區(qū)工作面存在瓦斯大量涌出，U 型的通風(fēng)方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有通風(fēng)的需求，根據(jù)采空區(qū)工作面特點，選用Y型的通風(fēng)能夠有效地降低隅角、回風(fēng)巷、采空區(qū)域瓦斯?jié)舛取Ｍㄟ^采空區(qū) Y 型的通風(fēng)模擬數(shù)據(jù)證明，漏風(fēng)流沿工作面流入采空區(qū)的內(nèi)部，在采空區(qū)的內(nèi)部漏風(fēng)流匯入專用瓦斯排風(fēng)巷，消除了 U 型的通風(fēng)方式導(dǎo)致的上隅角瓦斯聚集超標(biāo)情況。

　　Y型的通風(fēng)方式能夠?qū)⒉煽諈^(qū)的瓦斯通過漏風(fēng)流排除回風(fēng)巷，這樣解決了采空區(qū)瓦斯?jié)舛染奂默F(xiàn)象，根據(jù)各工作面實際情況分析掌握采空區(qū)的流場與瓦斯的移動規(guī)律，使用Y型的通風(fēng)技術(shù)，進(jìn)行卸壓、抽采瓦斯，成功消除瓦斯危險降低瓦斯的含量，從而使得高瓦斯煤層成為低危害煤層，最終確保工作面安全高效生產(chǎn)。