Y型通風下采空區瓦斯運移規律及治理研究

　　摘 要：針對Y型綜放面通風特點，組建Y型采空區綜放面通風模擬流體計算模型。經過模擬數值研究Y型采空區綜放面流場與瓦斯流動規律，并將U型系統通風與Y型系統通風進行比較分析，從而獲得采空區瓦斯流動與流場運動的特點，并將研究結果運用在高瓦斯工作面Y型系統通風中，通過實際工作面具體情況設計建立CFD模型，最終獲得Y型采空區系統通風瓦斯流動和分布情況，其模擬數據的結果和現場數據吻合，從而為系統通風與治理瓦斯工作提供優化依據。

　　本文源自高茜， 西部探礦工程 發表時間：2021-07-07

　　關鍵詞：瓦斯流動;采空巷;Y型系統通風;高瓦斯

　　近年，中國在綜采的方法、技術上取得高速發展，可是工作面出現高瓦斯噴涌是制約工作面開采生產、安全最主要的原因。國外利用 CFD 對工作面不同通風采空區內進行瓦斯流動分布模擬。國內有關機構也對通風采空區內瓦斯流動和流場進行模擬。通過模擬獲得數據總結得知，治理開采工作面時的瓦斯噴涌問題應采取的措施為：加強現有通風量、抽放瓦斯與系統通風綜合、加大抽放瓦斯能力，在上述措施中，加大通風量是最直接、最基礎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 型方式進行通風，而且在沿空巷回風巷鉆孔進行瓦斯抽放，從而降低減少了瓦斯的聚集量，保證了生產安全[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。本區域的煤層很厚，地質簡單，賦存較為穩定，非常適合放頂機械化采煤，其放頂機械化采煤日產可達3000t。

　　2 流體的模型建立

　　2.1 采空區控制滲流方程

　　首先把采空區綜放面設定為混合體煤巖組成的介質為多孔空間，因為煤體松散孔隙分布不太均勻，漏風流與漏風源無法確定，煤體松散孔隙中流場漏風非常復雜，其采空區風流主要包括過度流、層流、紊流等[2]。所應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,m2 /s; Dm——平均粒徑; V——裂隙帶風速 , 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。

　　2.2 采空區滲透率與空隙率

　　采空區巷道工作面漏風的強度與煤體空隙存在直接的關系，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、滲透產生影響，頂板的空隙將會對煤體散熱漏風產生影響。當工作面向前開拓的同時，煤體空隙也將隨著變化。當礦壓很大時其孔隙率將會變小[3]。當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U型工作面通風建立模型與條件邊界分析

　　模型坐標的原點是模擬矩形回風巷中心點位置，如圖 1坐標系左邊原點位置，回風巷進風巷為 X 軸，頂板方向為 Y 軸，回風巷的風流向為 Z 軸。U 型工作面通風進風風量800m3 /min，Y型工作面通風兩進風風量分別是 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 為通風設置參數表。

　　3 采場模擬數據分析

　　3.1 U型采場通風瓦斯規律分布

　　3.1.1 傾斜工作面瓦斯規律分布

　　(1)在工作面距離很近采空區里，因為風流方向為進風向回風流動，瓦斯向著回風側流動，這樣瓦斯的濃度會越聚越多。在回風巷與上隅角瓦斯的濃度將成為最高區域[4]。

　　(2)在回風端工作面瓦斯的濃度遞增較大，進風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情況。回風工作面瓦斯的濃度遞增是因為采空區風流的原因。

　　3.1.2 采空區工作面瓦斯的濃度規律分布

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

　　3.2 Y型采場通風瓦斯規律分布

　　3.2.1 Y型工作面通風傾斜瓦斯的濃度規律分布

　　(1)在工作面距離很近采空區里，因為風流方向為進風向回風流動，在Y型方式通風下，因為兩條的進風巷風壓各不相同，致使上隅角與回風巷瓦斯聚集量很低，其瓦斯的濃度顯現從較高區向著深部采空區流動趨勢。

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

　　3.2.2 Y型采空區通風瓦斯的濃度規律分布

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

　　3.3 Y型的通風與U型的通風情況比

　　U 型工作面通風的系統布置的巷道簡單，維護方便，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，使工作面生產造成安全隱患。Y型工作面通風的系統布置需在采空區設一巷道，其巷道維護、填充的工作量很大，但是優勢很多[6]。由于兩種方式通風不同，導致采空區內瓦斯分布與瓦斯的流場不同，其瓦斯的流場通風分布見圖 2。

　　兩者比較，Y型工作面通風優點如下：

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

　　(2)工作面的順槽與風巷都處在進風流里，從而改善工作的環境。

　　(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，因此應力區被消除并擴大了區域泄壓的范圍。

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

　　4 結論

　　由于采空區工作面存在瓦斯大量涌出，U 型的通風方式已經無法滿足現有通風的需求，根據采空區工作面特點，選用Y型的通風能夠有效地降低隅角、回風巷、采空區域瓦斯濃度。通過采空區 Y 型的通風模擬數據證明，漏風流沿工作面流入采空區的內部，在采空區的內部漏風流匯入專用瓦斯排風巷，消除了 U 型的通風方式導致的上隅角瓦斯聚集超標情況。

　　Y型的通風方式能夠將采空區的瓦斯通過漏風流排除回風巷，這樣解決了采空區瓦斯濃度聚集的現象，根據各工作面實際情況分析掌握采空區的流場與瓦斯的移動規律，使用Y型的通風技術，進行卸壓、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。