斜溝礦綜采面上隅角瓦斯治理技術(shù)研究

翟永青

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司， 山西 興縣 033600）

煤炭作為我國(guó)基礎(chǔ)能源及主要工業(yè)原材料供應(yīng)著人民生活生產(chǎn)。隨著我國(guó)煤炭資源的開采年限日益增加，煤炭資源賦存條件簡(jiǎn)單的煤層已經(jīng)逐步得到開采?，F(xiàn)階段我國(guó)開采的主要對(duì)象轉(zhuǎn)移到賦存較為復(fù)雜的煤層。賦存條件較為復(fù)雜的煤層在開采時(shí)大量的瓦斯聚集引發(fā)爆炸等事故成為了困擾礦山開采的重要難題。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)時(shí)，治理瓦斯的方法較多，但治理的效果并不十分理想，所以研究礦山的瓦斯治理成為了熱門課題。耿銘[1]為了驗(yàn)證L 型通風(fēng)對(duì)綜采工作面采空區(qū)的瓦斯進(jìn)行抽采效果，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)其進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)L 型鉆孔抽采技術(shù)可以有效的解決瓦斯超限的問題，達(dá)到了穩(wěn)定采空區(qū)的作用。張占國(guó)[2]研究了堅(jiān)硬頂板沖擊地壓煤層發(fā)生瓦斯災(zāi)害的原因，提出六位一體的治理方法對(duì)瓦斯問題進(jìn)行治理，并對(duì)治理后的工作面進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)治理后的工作面無瓦斯涌出異常，有效的保證了工作面的安全。解志勝[3]針對(duì)工作面瓦斯突出問題，提出在工作面采用U 型通風(fēng)與高位鉆孔的方法對(duì)瓦斯進(jìn)行治理，解決了工作面瓦斯積聚問題，實(shí)現(xiàn)了瓦斯零超限，保證了礦山的安全生產(chǎn)。劉軍[4]分析了工作面瓦斯量與通風(fēng)量之間的關(guān)系，提出通過順層交叉鉆孔，裂隙帶抽采的方法對(duì)瓦斯進(jìn)行治理，治理后綜采工作面的瓦斯得到了有效的治理，瓦斯超限現(xiàn)象得到了遏制。本文以山西西山晉興能源有限責(zé)任公司（全文簡(jiǎn)稱斜溝礦）為研究對(duì)象，對(duì)斜溝礦綜采面瓦斯進(jìn)行治理，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同通風(fēng)條件下的瓦斯分布進(jìn)行研究，為治理斜溝礦瓦斯超限作出了貢獻(xiàn)。

1 通風(fēng)方式對(duì)瓦斯影響研究

斜溝礦某88201 工作面開煤層屬于二疊紀(jì)煤層，煤層的傾角為3°~5°，煤層的平均傾角為4°，煤層厚度為5.1~8.23 m，煤層的平均厚度為6.3 m，礦山工作面走向長(zhǎng)度為2 800 m，煤層設(shè)計(jì)采高為3.5 m，平均年產(chǎn)量為2.5 萬(wàn)t。由于在礦山的實(shí)際生產(chǎn)過程中瓦斯涌出量較大，威脅著礦山設(shè)備及礦山人員的安全，所以對(duì)上隅角瓦斯進(jìn)行治理是十分有必要的。

目前我國(guó)主要針對(duì)煤礦瓦斯治理的方法為增大礦井的通風(fēng)量、在井下設(shè)置擋風(fēng)墻，對(duì)礦井進(jìn)行設(shè)置上隅角風(fēng)簾等。但上述的治理方案雖然在一定程度上可以治理礦井瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}，但同樣會(huì)大礦井的漏風(fēng)現(xiàn)象，從而引發(fā)礦山發(fā)生井下火災(zāi)。所以在一半治理礦山瓦斯問題時(shí)，常常選用加大工作面的通風(fēng)量，改變或者優(yōu)化原有的通風(fēng)系統(tǒng)?，F(xiàn)階段常見的通風(fēng)形式包括Y 型通風(fēng)、U 型通風(fēng)和聯(lián)合通風(fēng)系統(tǒng)。

U 型通風(fēng)是一種常見的一進(jìn)一回通風(fēng)系統(tǒng)，此通風(fēng)系統(tǒng)不僅施工較為簡(jiǎn)單快捷，同時(shí)此通風(fēng)系統(tǒng)化維修簡(jiǎn)單，維修成本較低等。但由于采空區(qū)的空隙較大，造成部分風(fēng)流會(huì)攜帶礦井瓦斯進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在回風(fēng)大巷的上隅角處形成瓦斯的渦流聚集區(qū)，導(dǎo)致瓦斯在此部位濃度加大，危害礦井安全。U 型通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-1 所示。

圖1 通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

Y 型通風(fēng)相比于U 型通風(fēng)是一種升級(jí)的通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)采用兩進(jìn)一回的通風(fēng)模式。在采空區(qū)的瓦斯隨著通入風(fēng)流進(jìn)行排出，與此同時(shí)，在工作面的上下側(cè)由于處于進(jìn)入風(fēng)流位置，有效的解決了工作面上隅角形成瓦斯的超限問題，較好的改善了礦井回采工作面瓦斯超限的問題，有利于維持礦井的安全生產(chǎn)。但Y 型通風(fēng)同樣具有一定的弊端，Y 型通風(fēng)系統(tǒng)施工較為復(fù)雜且維護(hù)成本較大，所以從經(jīng)濟(jì)學(xué)角角度可以看出，Y 型通風(fēng)也存在使用的局限性。Y 型通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-2 所示。

U+L 型通風(fēng)系統(tǒng)同樣為U 型通風(fēng)的升級(jí)，利用進(jìn)風(fēng)巷、尾巷、聯(lián)絡(luò)巷及回風(fēng)巷組成一井兩回式通風(fēng)系統(tǒng)，其具有人工控制通風(fēng)量，控制風(fēng)巷的進(jìn)風(fēng)量比值等優(yōu)點(diǎn)，可以在一定程度上解決礦井工作面上隅角瓦斯超限的問題，但此通風(fēng)方式會(huì)加大施工量及后期的維護(hù)成本，所以也存在一定的缺點(diǎn)。U+Y 型通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1-3 所示。

為了驗(yàn)證不同的通風(fēng)系統(tǒng)下瓦斯的分布規(guī)律，本文利用FLUENT 模擬軟件以斜溝礦88201 工作面為研究背景。對(duì)三種通風(fēng)系統(tǒng)下的瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用U 型通風(fēng)時(shí)，此時(shí)在距離工作面10 m 的位置上隅角的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%，但此時(shí)Y 型通風(fēng)的上隅角瓦斯?jié)舛葍H為0.1%。隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，U 型通風(fēng)的瓦斯量快速升高，當(dāng)工作面推進(jìn)至150 m 時(shí)，此時(shí)工作面上隅角的瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)上升至65%。在工作面推進(jìn)至150 m 時(shí)，此時(shí)u+L 型通風(fēng)的瓦斯?jié)舛容^U 型通風(fēng)有所降低，但瓦斯?jié)舛热匀桓哂?5%，所以也不否和安全的要求。繼續(xù)觀察Y 型通風(fēng)，可以發(fā)現(xiàn)隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，瓦斯?jié)舛仁冀K保持一定的穩(wěn)定，且瓦斯?jié)舛茸罡卟怀^0.1%，可以看出U+L 型通風(fēng)治理瓦斯?jié)舛鹊男Ч幱赨 型通風(fēng)系統(tǒng)與Y 型通風(fēng)之間，兩進(jìn)一回的通風(fēng)形式可以較好的治理上隅角瓦斯超限問題[5]。瓦斯?jié)舛葘?duì)比圖如圖2 所示。

圖2 瓦斯?jié)舛葘?duì)比圖

2 埋管深度對(duì)瓦斯治理研究

為了對(duì)瓦斯的濃度分布規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步研究，本文采用U 型通風(fēng)對(duì)采空區(qū)的瓦斯流動(dòng)情況進(jìn)行分析，給出設(shè)定瓦斯涌出量為12~16 m3/min，風(fēng)量設(shè)定為1 500 m3/min，并對(duì)采空區(qū)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，進(jìn)風(fēng)回風(fēng)巷尺寸均設(shè)置為10 m×4 m，工作面設(shè)定為156 m×6 m，對(duì)模型進(jìn)行建立及網(wǎng)格劃分，根據(jù)礦山的實(shí)際地質(zhì)資料對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，劃分完成后對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。

模擬計(jì)算結(jié)果顯示，隨著工作面的推進(jìn)，上隅角向采空區(qū)的深部瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出增大的趨勢(shì)，距離工作面越遠(yuǎn)瓦斯的濃度含量越大。距離工作面10~20 m 的范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔?shì)變化最為明顯。所以利用FLUENT 模擬軟件對(duì)不同埋管深度下工作面瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行模擬。埋管深度選擇為5 m、15 m、25 m。模擬結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同埋管深度下瓦斯?jié)舛葘?duì)比圖

從模擬可以看出，上隅角進(jìn)行埋管對(duì)瓦斯的治理效果較為明顯，可以有效的降低工作面上隅角瓦斯超限的問題。而當(dāng)埋管深度為5 m 時(shí)上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.6%~0.9%，回風(fēng)巷的體積分?jǐn)?shù)為0.5%~0.75%。當(dāng)埋管深度為25 m 時(shí)上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.7%~0.95%，回風(fēng)巷的瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.5%~0.70%。當(dāng)埋管的深度為15 m 時(shí)，此時(shí)對(duì)工作面的瓦斯抽采效果最為理想，上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)最低為0.5%~0.8%，回風(fēng)巷的體積分?jǐn)?shù)為0.4%~0.60%有效的降低了工作面上隅角的瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，所以埋管深度為15 m 時(shí)的抽采效果最佳。

3 結(jié)論

1）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)不同通風(fēng)方式下的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，采用U 型通風(fēng)和U+L 型通風(fēng)時(shí)，瓦斯的濃度隨著工作面的推進(jìn)持續(xù)增大，而Y型通風(fēng)的瓦斯?jié)舛炔浑S工作面的推進(jìn)而發(fā)生改變。

2）根據(jù)對(duì)采空區(qū)及工作面瓦斯較為活躍的位置進(jìn)行埋管抽采瓦斯可以有效的降低工作面及采空區(qū)的瓦斯?jié)舛?，維護(hù)巷道安全。

3）利用模擬對(duì)不同埋管深度下工作面瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)埋管深度為15 m 時(shí)上隅角與回風(fēng)巷的瓦斯含量最小，有效的控制上隅角的瓦斯超限問題。