工作面Y 型通風方式下采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合分析

馮艷兵

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

在煤礦正常生產中，工作面回風巷上隅角瓦斯積聚極易造成瓦斯?jié)舛瘸?，給工作面高效開采帶來了極大的安全隱患。上隅角瓦斯積聚主要是由工作面漏風風流將采空區(qū)的瓦斯裹攜至回風巷造成的，目前一般采用改變通風方式、增加供風量以及采空區(qū)埋管抽采瓦斯的方式解決工作面回風巷上隅角瓦斯積聚問題[1-5]。馬蘭礦10604 工作面軌道巷采用充填沿空留巷的方式保留下來，可使10604 工作面形成Y 型通風。以此為背景，進行馬蘭礦10604工作面Y 型通風方式下采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合模擬分析，為該工作面及類似條件下工作面瓦斯與煤自燃治理提供參考。

1 工程背景

馬蘭礦10604 工作面位于南六采區(qū)左翼，屬于+910 m 水平，工作面埋深415～468 m。10604 工作面西南方向為南六采區(qū)下山巷道，東南方向和東北方向均為采空區(qū)，西北方向為10602 工作面。工作面開采02#煤層，煤層平均厚度2.25 m，平均傾角2°。煤層直接頂為厚度3.40 m 的灰黑色粉砂質泥巖，老頂為厚度3.10 m 的灰色粉砂巖，老底為厚度2.08～3.30 m 的灰白色細砂巖。地質資料顯示，10604 工作面所在區(qū)域02#煤層原始瓦斯含量為6.4 m3/t，預計經預抽后回采前殘余瓦斯含量4.0 m3/t。根據礦井及采區(qū)規(guī)劃，馬蘭礦10604 工作面軌道巷采用充填沿空留巷的方式保留下來，使10604 工作面形成Y 型通風（兩進一回，10604 工作面軌道巷、皮帶巷進風，10604 工作面專用回風巷回風）。工作面采掘工程示意圖如圖1。

圖1 工作面采掘工程示意圖

2 采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合模擬分析

以馬蘭礦10604 工作面采用Y 型通風方式下為背景，進行采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合模擬分析，為本工作面及類似條件下工作面瓦斯與煤自燃治理提供參考，本次模擬采用COMSOL 多場仿真模擬軟件進行。

2.1 不同風量下采空區(qū)瓦斯分布特征分析

馬蘭礦10604 工作面實際供風量為1320 m3/min，采用不同供風比進行模擬分析采空區(qū)瓦斯分布特征。如圖2 給出了供風比分別為0.5、0.75、1、1.25、1.5 時采空區(qū)瓦斯分布情況。由圖2 可知，隨著供風比的增加，采空區(qū)瓦斯體積分數呈先降低后增加的趨勢，采空區(qū)內高瓦斯范圍逐漸遠離工作面。對于采空區(qū)瓦斯體積分數來說，從0.5 增加至1.25時，隨著供風比增加采空區(qū)瓦斯體積分數降低；其中0.5 增加至1 時，采空區(qū)瓦斯體積分數出現顯著下降；當供風比由1.25 增加至1.5 時，采空區(qū)瓦斯體積分數出現了小幅度的增加。

圖2 不同供風比時采空區(qū)瓦斯分布情況

圖3 給出了供風比分別為0.5、0.75、1、1.25、1.5時工作面內瓦斯體積分數分布曲線（X 軸為距工作面進風巷的距離）。由圖3 可知，在一定范圍內，隨著與進風巷之間的距離增加，工作面內瓦斯體積分數也呈現先增加后降低的態(tài)勢。工作面瓦斯體積分數出現顯著下降發(fā)生在距工作面回風巷小于20 m范圍，供風比為0.5 時，工作面瓦斯體積分數最大值約1.91%；供風比為1.25 時，工作面瓦斯體積分數最大值約0.23%，相對降低1.68%，這是由于供風比0.5～1.25 范圍內，風流裹攜的瓦斯量小于采空區(qū)瓦斯涌出量；供風比為1.5 時，工作面瓦斯體積分數最大值約0.26%，這是由于漏風增加，漏風風流導致采空區(qū)瓦斯涌出量增加。

圖3 不同供風比時工作面內瓦斯體積分數分布曲線

2.2 采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期的影響因素分析

自然發(fā)火期是指以揭露煤層起至發(fā)生自然發(fā)火為止的時間[6]，馬蘭礦10604 工作面不同推進速度下采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期與風速的關系曲線如圖4所示。由圖4 可知，當10604 工作面推進速度保持一定時，隨著工作面風速增加，馬蘭礦10604 工作面采空區(qū)的自然發(fā)火期逐漸變短。工作面風速從0.8 m/s 增加到2.0 m/s 時，采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期顯著降低。這是由于工作面風速增加，進入采空區(qū)的漏風量增加，大量的氧氣進入采空區(qū)，遺煤氧化區(qū)域范圍增加，采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃的可能性增加，這就導致了采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期逐漸變短，之后隨著工作面風速繼續(xù)增加，采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期逐漸趨于穩(wěn)定。在10604 工作面風速保持一定時，隨著工作面推進速度的增加（從3 m/d 增加到12 m/d時），馬蘭礦10604 工作面采空區(qū)的自然發(fā)火期逐漸增加。

圖4 遺煤自然發(fā)火期與推進速度、風速的關系曲線

2.3 埋管抽采對采空區(qū)氧化帶的影響分析

為解決馬蘭礦10604 工作面上隅角瓦斯超限的問題，采用采空區(qū)埋管抽采的方法進行抽采瓦斯。由于采用埋管抽采采空區(qū)瓦斯時，導致采空區(qū)回風側的負壓增加，工作面向采空區(qū)的漏風量也隨之增加。因此，采空區(qū)氧化帶范圍隨著瓦斯抽采流量的增加而逐漸增加。當瓦斯抽采流量為20 m3/min 時，采空區(qū)氧化帶寬度約159 m；瓦斯抽采流量增加到50 m3/min 時，采空區(qū)氧化帶寬度增加至192 m；瓦斯抽采流量增加到80 m3/min 時，采空區(qū)氧化帶寬度增加至205 m。

3 現場應用

采用數值模擬的方法模擬了馬蘭礦10604 工作面推進速度為6 m/d、供風比為1、瓦斯抽采流量為40 m3/min 時的工作面瓦斯分布特征，見圖5 中實線所示。同時，在馬蘭礦10604 工作面采用Y 型通風及采空區(qū)埋管抽采（瓦斯抽采流量為40 m3/min）的方式進行治理工作面上隅角瓦斯超限問題，并進行了現場測試，如圖5 中實心點所示。根據馬蘭礦10604 工作面傾向方向的瓦斯體積分數的模擬結果和測試結果對比（圖5），馬蘭礦10604 工作面瓦斯體積分數模擬結果與實際結果吻合性良好，誤差小于5%；10604 工作面瓦斯體積分數隨著與進風巷之間的距離增加呈現先增加后降低的態(tài)勢；工作面上隅角瓦斯體積分數最大值小于0.2%；采空區(qū)氧化帶寬度控制在128～145 m 范圍。表明馬蘭礦10604工作面采用Y 型通風及埋管抽采可有效解決工作面上隅角瓦斯超限和遺煤自燃問題。

圖5 工作面瓦斯體積分數分布特征

4 結論

以馬蘭礦10604 工作面Y 型通風為工程背景，模擬分析了不同風量下采空區(qū)瓦斯分布特征、采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期的影響因素以及埋管抽采對采空區(qū)氧化帶的影響。分析表明，一定范圍風量的增加可顯著降低采空區(qū)瓦斯體積分數，工作面風速或推進速度增加均可降低采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期，而采空區(qū)氧化帶范圍隨著瓦斯抽采流量的增加而逐漸增加。數值模擬和現場應用結果均顯示，推進速度為6 m/d、供風量為1320 m3/min、瓦斯抽采流量為40 m3/min 時，工作面上隅角瓦斯體積分數最大值小于0.2%，采空區(qū)氧化帶寬度控制在128～145 m 范圍，表明采用Y 型通風及埋管抽采可有效解決馬蘭礦10604 工作面上隅角瓦斯超限和遺煤自燃問題。