大采高采場瓦斯治理模型分析及通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

盧云

摘 要： 針對大采高采場的瓦斯治理，在構(gòu)建與分析其治理模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合實例，提出通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化措施，旨在為實際的瓦斯治理分析和通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化工作提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞： 大采高采場;瓦斯治理模型;通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

【中圖分類號】TD712+.54???? 【文獻標(biāo)識碼】A???? 【文章編號】1674-3733（2020）17-0220-01

近幾年，科學(xué)技術(shù)快速進步，煤炭生產(chǎn)中對生產(chǎn)效率、安全的要求越來越高，這使得大采高一次采全厚開采技術(shù)得到十分廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。然而，由于受到開采深度日益增加等因素的直接影響，導(dǎo)致采空區(qū)中的瓦斯實際涌出量明顯增加，使瓦斯超限的問題越來越常見和突出，這給礦井安全生產(chǎn)帶來了很大威脅。傳統(tǒng)的瓦斯抽采措施已經(jīng)無法滿足實際要求，有必要通過模型建立與分析對通風(fēng)系統(tǒng)進行優(yōu)化，以增強通風(fēng)系統(tǒng)瓦斯抽采能力。

1 治理模型分析

在大采高工作面完成開采作業(yè)后，采場與采空區(qū)中的瓦斯將在通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)中向上隅角的方向不斷運移，如果通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生變化，將使導(dǎo)向風(fēng)流改變，并對風(fēng)流流場造成影響，最終使采場中上隅角部位的瓦斯實際運移和分布發(fā)生變化。根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)實際情況，結(jié)合瓦斯抽采具體狀況，可建立相應(yīng)的瓦斯治理模型。受到通風(fēng)系統(tǒng)中導(dǎo)向風(fēng)流因素的影響，在采空區(qū)的垮落帶與裂隙帶當(dāng)中，瓦斯運移與擴散對應(yīng)的抽采和滲流模型可表現(xiàn)為：

式（3）中，K'表示殘余碎脹系數(shù);K0p表示初始冒落對應(yīng)的碎脹系數(shù);a表示衰減率，主要根據(jù)礦壓的觀測結(jié)果確定;x表示和采場支架之間的距離。式（1）中，l表示工作面長度;y表示和采場下部邊界直接的距離;q表示抽采管入口處的實際流量。

根據(jù)以上模型，當(dāng)采高增加時，流場高度也有所增加，碎脹系數(shù)發(fā)生變化，在不同的通風(fēng)系統(tǒng)及抽采方式條件下，從采場中涌出的瓦斯會出現(xiàn)不同程度的運移與擴散[1]。

如果借助多巷系統(tǒng)進行瓦斯抽排，則受到風(fēng)流導(dǎo)向作用后，部分瓦斯將隨著采空區(qū)中的漏風(fēng)通過軌道回風(fēng)巷向外排出，另一部分瓦斯則隨著風(fēng)量通過聯(lián)絡(luò)巷向外排出，使采場與上隅角處瓦斯實際體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，主要為降低;此時如果破煤量突然增加，或?qū)嶋H的推進速度突然加快，將使瓦斯的實際涌出速度變快，在這種情況下倘若風(fēng)流流場與風(fēng)量不能及時有效的變化，將使上隅角處的實際瓦斯數(shù)量超限。

為了減小采場中瓦斯的實際體積分?jǐn)?shù)，目前現(xiàn)場主要通過高位抽放鉆孔對瓦斯進行抽采，以此實現(xiàn)對瓦斯流場分布情況的有效改變，使上隅角處的瓦斯含量明顯減少。在抽采鉆孔入口部位，其抽采邊界條件可表示為：

-k·gradp1=q1（4）

式（4）中，p1表示鉆孔抽采負(fù)壓;q1表示抽采鉆孔流量。對于中高位裂隙帶，其鉆孔在負(fù)壓抽采作用下將在采場的上部等位置聚集高濃度能瓦斯，而且在部分地段的瓦斯實際涌出量突然增加時，因瓦斯自身具備浮升的作用，所以將持續(xù)向分布于頂板處的裂隙帶中積聚，以此為鉆孔抽采提供便利，進而能在很大程度上解決瓦斯超限的問題。然而，這樣依然存在安全方面的隱患[2]。

為有效解決以上弊端，某礦床開采過程中將多巷通風(fēng)更改成U型通風(fēng)，并在瓦斯的抽采巷和回風(fēng)巷之間設(shè)置的煤柱當(dāng)中設(shè)置直徑為250mm的穿透鉆孔，用于對上隅角處的瓦斯進行抽采，采用此方法替代以往采用回風(fēng)通道對上隅角處瓦斯進行風(fēng)排的方式。與此同時，在采空區(qū)頂板中分布的高位裂隙帶當(dāng)中設(shè)置直徑為153mm的定向鉆孔，用于增加抽采流量，提高實際抽采能力，以此形成完整的U型系統(tǒng)，實現(xiàn)對瓦斯的有效抽采，增加實際抽采流量，這樣能使采空區(qū)與上隅角處的瓦斯流場發(fā)生系統(tǒng)的變化。在這種情況下，抽采入口部位的邊界條件可表示為：

-k·gradp2=q2（5）

式（5）中，p2表示鉆孔抽采負(fù)壓;q2表示鉆孔抽采流量。

從式（1）-（5）能看出，采用鉆孔的方式進行抽采能改變通風(fēng)系統(tǒng)對應(yīng)的邊界條件，進而時采場中瓦斯實際運移與擴散發(fā)生變化，同時還能影響到采空區(qū)與上隅角處瓦斯實際分布狀況，在這種情況下可根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對瓦斯的運移特征進行分析，并據(jù)此對通風(fēng)系統(tǒng)進行針對性的優(yōu)化處理，最終為保證開采的安全性與高效性提供可靠保障。

2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

以常見的一進兩回式通風(fēng)系統(tǒng)為例對其存在的弊端進行分析，該通風(fēng)系統(tǒng)主要利用聯(lián)絡(luò)巷對瓦斯進行抽采，為保證安全，需要在回風(fēng)通道當(dāng)中利用木垛進行支護，所需勞動量相對較大，且支護的成本也很高。另外，因回采巷道的高度很大，且頂板壓力始終較高，所以其斷面收縮情況往往比較嚴(yán)重，容易發(fā)生垮塌，導(dǎo)致上隅角處的風(fēng)流無法保持穩(wěn)定，支護維護難度較大，對安全性造成很大的影響[3]。

為了從根本上解決以上問題和安全隱患，可采用U型系統(tǒng)，具體做法為在頂板中設(shè)置直徑相對較大的鉆孔，利用鉆孔對采場和采空區(qū)中的瓦斯進行抽采，同時在上區(qū)段煤柱當(dāng)中也設(shè)置鉆孔，用于抽采上隅角處的瓦斯，以此形成一個多鉆孔充分結(jié)合的綜合抽采形式，使采空區(qū)與上隅角處的瓦斯分布流場得以系統(tǒng)的改變，有效彌補通風(fēng)系統(tǒng)存在的不足，最大限度發(fā)揮出新型通風(fēng)系統(tǒng)具有的各方面優(yōu)勢，如結(jié)構(gòu)簡單和運行穩(wěn)定等。

3 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)采場通風(fēng)系統(tǒng)實際情況，結(jié)合瓦斯抽采具體狀況，構(gòu)件以上瓦斯治理數(shù)學(xué)模型，并借助抽采和滲流模型對不同通風(fēng)系統(tǒng)條件下瓦斯運移具有的特征進行分析。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)多巷通風(fēng)系統(tǒng)存在的弊端和U型通風(fēng)系統(tǒng)具有的特征，通過鉆孔增加實際的瓦斯抽采能力，從而有效防止瓦斯超限，杜絕相關(guān)安全隱患。

參考文獻

[1] 李勝，張帥，羅明坤，范超軍，楊振華.鳳凰山礦外錯高位鉆場瓦斯治理技術(shù)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，37（03）：493-498.

[2] 陳學(xué)華，鄧春生，李鑫.亭南礦204工作面采場瓦斯運移規(guī)律及治理技術(shù)[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，34（10）：1111-1115.

[3] 王國祥，顧喜，董亮.突出煤層工作面回采過鉆場瓦斯治理技術(shù)研究及應(yīng)用[J].西部探礦工程，2013，25（10）：151-153.