高瓦斯礦井綜放工作面通風(fēng)方式優(yōu)化

白 帆

（潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

高瓦斯礦井回采工作面在生產(chǎn)過程中面臨著瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯管理困難、采空區(qū)瓦斯異常涌出等難題，甚至發(fā)生瓦斯超限事故，嚴(yán)重影響工作面的正常生產(chǎn)[1-2]。余吾煤業(yè)為高瓦斯礦井，采空區(qū)瓦斯涌出量在總瓦斯涌出量中占比超過20%。隨著礦井生產(chǎn)水平的延伸，通風(fēng)距離增加，原有的U型通風(fēng)方式也面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。雖然加強(qiáng)了工作面本煤層瓦斯抽放措施[3]，并先后采取地面瓦斯抽采、采空區(qū)瓦斯排放、高抽巷抽采等措施[4]，但瓦斯治理效果仍達(dá)不到要求。因此，考慮通過優(yōu)化通風(fēng)方式解決瓦斯排放和工作面瓦斯?jié)舛雀叩膯栴}。

1 礦井概況

余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司隸屬于山西潞安集團(tuán)，位于長(zhǎng)治市屯留縣，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力600 萬t/a，目前核定生產(chǎn)能力為750 萬t/a。該礦井田面積約161.205 km2，主采煤層為3#煤層，煤厚5.0～7.3 m，平均6.0 m，礦井資源儲(chǔ)量13 億t，可采儲(chǔ)量達(dá)6.6億t，平均埋深600 m。3#煤層瓦斯含量9.25 m3/t，瓦斯壓力0.69 MPa，系高瓦斯礦井，相對(duì)瓦斯涌出量11.3 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量36.2 m3/min。

2 通風(fēng)方式概述

余吾煤業(yè)自2014 年開始采用U 型+高抽巷的通風(fēng)方式并陸續(xù)在多個(gè)回采工作面實(shí)施，取得了一定效果，但仍然存在上隅角渦流導(dǎo)致瓦斯聚集、采空區(qū)瓦斯涌出量大、瓦斯抽采困難等缺點(diǎn)。

為解決U 型工作面通風(fēng)加高抽巷回風(fēng)方式存在的諸多弊端，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的分析，決定采用W 型通風(fēng)方式取代U 型通風(fēng)。即在工作面布置上、中、下三條巷道，采用兩進(jìn)一回或兩回一進(jìn)通風(fēng)方式，增加總通風(fēng)斷面，減小回風(fēng)阻力，使采空區(qū)瓦斯涌出量大幅度減少，同時(shí)提高風(fēng)量，降低回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?，解決上隅角瓦斯管理的難題。通風(fēng)系統(tǒng)差異如圖1 所示。

圖1 U 型通風(fēng)和W 型通風(fēng)示意圖

3 通風(fēng)方式對(duì)比分析

采空區(qū)瓦斯賦存可分為：漏風(fēng)影響區(qū)、瓦斯滯留區(qū)和壓實(shí)積聚區(qū)。其中瓦斯滯留區(qū)和壓實(shí)聚集區(qū)內(nèi)瓦斯在沒有周期來壓的情況下通常不會(huì)直接進(jìn)入工作面，而漏風(fēng)影響區(qū)內(nèi)瓦斯會(huì)受到工作面通風(fēng)負(fù)壓影響涌入工作面。特別是U 型通風(fēng)方式，工作面通風(fēng)阻力較大，局部負(fù)壓明顯，采空區(qū)漏風(fēng)量較大，還會(huì)造成上隅角處形成渦流，出現(xiàn)局部循環(huán)風(fēng)，使瓦斯聚集。因此，減少采空區(qū)瓦斯涌出量最直接的方式是減小工作面的回風(fēng)阻力或縮小漏風(fēng)影響區(qū)的范圍。由圖2 可知，漏風(fēng)影響區(qū)的大小與通風(fēng)阻力和進(jìn)（回）風(fēng)長(zhǎng)度關(guān)系密切，不同的通風(fēng)形式產(chǎn)生的漏風(fēng)影響區(qū)不同，瓦斯涌出量差異較大。W 通風(fēng)系統(tǒng)中將采空區(qū)接近工作面的區(qū)域劃分為兩個(gè)漏風(fēng)影響區(qū)，且由于通風(fēng)阻力減小使其通風(fēng)負(fù)壓顯著下降，在漏風(fēng)影響區(qū)長(zhǎng)度和U 型通風(fēng)方式一致的情況下，使寬度明顯縮小，減少了受通風(fēng)影響的采空區(qū)面積，降低瓦斯涌出量。通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示。

圖2 采空區(qū)瓦斯賦存三帶示意圖

圖3 兩種通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

在工作面長(zhǎng)度、寬度以及風(fēng)量配給不變的情況下，W 型通風(fēng)阻力和U 型通風(fēng)阻力計(jì)算公式見式（1）。

式中：fu為U 型通風(fēng)方式通風(fēng)阻力，Pa；fw為W 型通風(fēng)方式通風(fēng)阻力，Pa；r1為進(jìn)回風(fēng)巷道通風(fēng)阻力，Pa ；r2為工作面的通風(fēng)阻力，Pa。

根據(jù)式（1）對(duì)W 型通風(fēng)方式與U 型通風(fēng)方式的通風(fēng)阻力比值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見式（2）。

由式（2）可知，工作面走向長(zhǎng)度和傾向長(zhǎng)度相同且配風(fēng)量一定的情況下，W 型通風(fēng)阻力僅為U型通風(fēng)阻力的62.5%，降幅超過1/3，采空區(qū)的漏風(fēng)量明顯減少。

根據(jù)風(fēng)阻和風(fēng)量關(guān)系式H=RQ2，對(duì)風(fēng)壓相同情況下風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算可得：

由式（3）可知，在工作面走向長(zhǎng)度和傾向長(zhǎng)度不變的情況下，風(fēng)壓為一定值時(shí)，W 型通風(fēng)的風(fēng)量為U 型通風(fēng)風(fēng)量的126%。

綜上所述，同等條件下，W 型通風(fēng)阻力為U 型通風(fēng)阻力的62.5%。風(fēng)壓為一定值時(shí)，W 型通風(fēng)風(fēng)量為U 型通風(fēng)風(fēng)量的126%。因此，W 型通風(fēng)可以縮小采空區(qū)受到通風(fēng)負(fù)壓的影響范圍，同時(shí)能夠顯著降低回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛取?/p>

4 不同通風(fēng)方式瓦斯?jié)舛葦?shù)值模擬

為進(jìn)一步對(duì)工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)工作面采空區(qū)不同位置瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行預(yù)測(cè)，本次采用Gambit 構(gòu)建物理模型，利用Fluent 軟件開展數(shù)值模擬，并將結(jié)果通過Tecplot 軟件進(jìn)行處理，得到數(shù)值模擬結(jié)果。數(shù)值模擬的相關(guān)參數(shù)如下：工作面采空區(qū)的走向長(zhǎng)度為100 m，傾斜長(zhǎng)度為300 m，切眼寬度7 m，進(jìn)回風(fēng)巷道長(zhǎng)度和寬度分別為10 m和3.5 m。數(shù)值模擬結(jié)果如圖4 所示。

由圖4（a）可知，U 型工作面上隅角處瓦斯積聚現(xiàn)象明顯，回風(fēng)側(cè)高瓦斯區(qū)域范圍較大，采空區(qū)50 m 內(nèi)瓦斯含量較高（瓦斯?jié)舛?%），最大濃度約13%。由圖4（b）可知，W 型巷道布置情況下在采空區(qū)中部瓦斯積聚現(xiàn)象明顯，采空區(qū)30 m 范圍內(nèi)瓦斯含量較高（瓦斯?jié)舛?%），最大濃度約14%。通過分析可知，W 型通風(fēng)方式可有效解決上隅角瓦斯管理難題，并能夠明顯縮小通風(fēng)負(fù)壓影響的采空區(qū)范圍（長(zhǎng)度減小20 m）。

圖4 瓦斯?jié)舛葦?shù)值模擬

5 W 型通風(fēng)方案及工作面瓦斯抽采設(shè)計(jì)

5.1 通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)兩種通風(fēng)方式的分析可知，W 型通風(fēng)方式在采空區(qū)瓦斯涌出量和工作面風(fēng)量控制方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)5105 工作面通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，按照兩進(jìn)一回的方式布置進(jìn)回風(fēng)巷道，即巷道中部沿底板挖掘5105 回風(fēng)巷進(jìn)行回風(fēng)，5105 進(jìn)風(fēng)巷和5105 膠帶巷進(jìn)風(fēng)。5105 工作面W 型通風(fēng)方式巷道布置圖如圖5 所示。

5.2 瓦斯抽采設(shè)計(jì)

5105 工作面煤層厚度較大，平均6.1 m，為了保證抽采效果，需要分層抽放。設(shè)計(jì)5105 膠帶巷和進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行上分層煤層瓦斯抽采，5105 回風(fēng)巷進(jìn)行下分層抽采。三條進(jìn)回風(fēng)巷道間距為120 m，松動(dòng)圈瓦斯可自然排放，因此設(shè)計(jì)本煤層抽放鉆孔長(zhǎng)度110 m。在5105 回風(fēng)巷設(shè)計(jì)邁步鉆場(chǎng)施工頂板孔對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，防止中隅角瓦斯積聚。瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖5 5105 工作面W 型通風(fēng)方式巷道布置圖

圖6 瓦斯抽采設(shè)計(jì)圖

5.3 優(yōu)化效果

將工作面通風(fēng)方式由U 型改為W 型后，工作面風(fēng)量明顯提升，由1029 m3/min 增加為1255 m3/min。在優(yōu)化抽采設(shè)計(jì)前后，對(duì)煤層進(jìn)行了取樣分析，殘余瓦斯含量平均值由5.21 m3/t 下降為3.22 m3/t。在改變通風(fēng)方式和優(yōu)化抽采設(shè)計(jì)之后，工作面、上（中）隅角及回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛确謩e由0.24%、0.66%和0.45%變?yōu)?.16%、0.38%和0.27%，瓦斯?jié)舛蕊@著降低。

6 結(jié)論

（1）在U 型通風(fēng)方式下工作面上隅角通風(fēng)負(fù)壓最小，且易形成渦流，導(dǎo)致上隅角瓦斯積聚，是瓦斯管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。采用W 型通風(fēng)方式后，上隅角瓦斯?jié)舛蕊@著降低，且中隅角由于風(fēng)流匯集，瓦斯排放效率高，可減少瓦斯聚集的可能性。

（2）采用W 型通風(fēng)方式后，工作面通風(fēng)阻力減小37.5%，通風(fēng)量可提高26%，且采空區(qū)影響范圍縮小40%，大大提高了瓦斯排放效率，因此可適當(dāng)增加工作面的寬度，提高回采效率。

（3）采用W 型通風(fēng)方式后，需要掘進(jìn)中間回風(fēng)巷，但減少了高抽巷的開拓工程，降低施工成本和高抽巷抽采費(fèi)用。同時(shí)三條巷道進(jìn)行瓦斯抽采提高了瓦斯抽采效率，減小殘余瓦斯含量，降低了工作面瓦斯異常涌出風(fēng)險(xiǎn)。