Y型通風(fēng)下采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律及治理研究

　　摘 要：針對(duì)Y型綜放面通風(fēng)特點(diǎn)，組建Y型采空區(qū)綜放面通風(fēng)模擬流體計(jì)算模型。經(jīng)過(guò)模擬數(shù)值研究Y型采空區(qū)綜放面流場(chǎng)與瓦斯流動(dòng)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(dòng)與流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，并將研究結(jié)果運(yùn)用在高瓦斯工作面Y型系統(tǒng)通風(fēng)中，通過(guò)實(shí)際工作面具體情況設(shè)計(jì)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(dòng)和分布情況，其模擬數(shù)據(jù)的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)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(shí)間：2021-07-07

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

　　近年，中國(guó)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(kāi)采生產(chǎn)、安全最主要的原因。國(guó)外利用 CFD 對(duì)工作面不同通風(fēng)采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行瓦斯流動(dòng)分布模擬。國(guó)內(nèi)有關(guān)機(jī)構(gòu)也對(duì)通風(fēng)采空區(qū)內(nèi)瓦斯流動(dòng)和流場(chǎng)進(jìn)行模擬。通過(guò)模擬獲得數(shù)據(jù)總結(jié)得知，治理開(kāi)采工作面時(shí)的瓦斯噴涌問(wèn)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(guò)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(duì)涌出瓦斯8.19m3 /t，平均涌出瓦斯8.17m3 /t。綜放走向長(zhǎng)為 584m，傾向長(zhǎng)為 151m。本區(qū)域的煤層很厚，地質(zhì)簡(jiǎn)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?yàn)槊后w松散孔隙分布不太均勻，漏風(fēng)流與漏風(fēng)源無(wú)法確定，煤體松散孔隙中流場(chǎng)漏風(fēng)非常復(fù)雜，其采空區(qū)風(fēng)流主要包括過(guò)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(yùn)動(dòng)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(lèi)：一個(gè)是松散的煤體空隙，二是頂板垮落孔隙。煤體松散空隙會(huì)直接對(duì)煤體的燃點(diǎn)以及氧氣分布、滲透產(chǎn)生影響，頂板的空隙將會(huì)對(duì)煤體散熱漏風(fēng)產(chǎn)生影響。當(dāng)工作面向前開(kāi)拓的同時(shí)，煤體空隙也將隨著變化。當(dāng)?shù)V壓很大時(shí)其孔隙率將會(huì)變小[3]。當(dāng)時(shí)間作用的越長(zhǎng)時(shí)其孔隙率將會(huì)越小，相反就會(huì)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(diǎn)是模擬矩形回風(fēng)巷中心點(diǎn)位置，如圖 1坐標(biāo)系左邊原點(diǎn)位置，回風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)巷為 X 軸，頂板方向?yàn)?Y 軸，回風(fēng)巷的風(fēng)流向?yàn)?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?dú)狻１?1 為通風(fēng)設(shè)置參數(shù)表。

　　3 采場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)分析

　　3.1 U型采場(chǎng)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?yàn)轱L(fēng)流方向?yàn)檫M(jìn)風(fēng)向回風(fēng)流動(dòng)，瓦斯向著回風(fēng)側(cè)流動(dòng)，這樣瓦斯的濃度會(huì)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?yàn)椴煽諈^(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(huì)越大。采空區(qū)里瓦斯的濃度較高地區(qū)也就是采場(chǎng)瓦斯的濃度較高區(qū)，在這一區(qū)域也是抽放瓦斯理想點(diǎn)，客觀上看，因?yàn)楣ぷ髅娓浇煽諈^(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(chǎng)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?yàn)轱L(fēng)流方向?yàn)檫M(jìn)風(fēng)向回風(fēng)流動(dòng)，在Y型方式通風(fēng)下，因?yàn)閮蓷l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(dòng)趨勢(shì)。

　　(2)在進(jìn)風(fēng)巷工作面瓦斯的濃度不一，這是因?yàn)閮蓚?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?yàn)椴煽諈^(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(jiǎn)單，維護(hù)方便，因?yàn)橥咚沟牧鲿尘哂幸欢ǖ奶厥馇闆r，瓦斯容易聚集在上隅角造成其濃度超過(guò)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(shì)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(chǎng)不同，其瓦斯的流場(chǎng)通風(fēng)分布見(jiàn)圖 2。

　　兩者比較，Y型工作面通風(fēng)優(yōu)點(diǎn)如下：

　　(1)因?yàn)椴煽諈^(qū)瓦斯會(huì)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(guò)高問(wèn)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(kāi)采方式為無(wú)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?yàn)楣ぷ髅娴耐L(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(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)有通風(fēng)的需求，根據(jù)采空區(qū)工作面特點(diǎn)，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^(guò)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(zhuān)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(guò)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(shí)際情況分析掌握采空區(qū)的流場(chǎng)與瓦斯的移動(dòng)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(xiǎn)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)。