薄煤層沿空留巷瓦斯分布規(guī)律及控制技術(shù)研究

劉元龍 李文強(qiáng) 馬培言

（陜西永明煤礦有限公司，陜西 延安 716000）

隨著煤炭資源的不斷開(kāi)采，煤炭資源越來(lái)越少，傳統(tǒng)的留設(shè)煤柱開(kāi)采方式[1-2]所造成的煤炭回收率低、資源浪費(fèi)的問(wèn)題日益突出。因此，采用并推廣無(wú)煤柱沿空留巷開(kāi)采技術(shù)將是煤炭資源可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

沿空留巷[3-5]作為一種無(wú)煤柱護(hù)巷技術(shù)是合理地開(kāi)發(fā)現(xiàn)有煤炭資源、提高煤炭資源采出率的一種有效途徑。因此，為更好地了解沿空留巷條件下工作面的風(fēng)速及瓦斯分布特征，以便實(shí)現(xiàn)工作面的安全通風(fēng)，避免因瓦斯超限而影響正常生產(chǎn)。本文以永明煤礦3116 工作面為背景，通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)該工作面瓦斯分布規(guī)律以及瓦斯控制技術(shù)進(jìn)行研究分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果。

1 建立數(shù)值計(jì)算模型及方案

采用數(shù)值軟件建立如圖1 所示的三維數(shù)值模型，模型包括進(jìn)風(fēng)巷、工作面和回風(fēng)巷。工作面的長(zhǎng)度為160 m，進(jìn)風(fēng)及回風(fēng)巷采用單體鉸接梁進(jìn)行超前支護(hù)，工作面內(nèi)布置采煤機(jī)和液壓支架，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面后方實(shí)際工況在工作面后方設(shè)置一定長(zhǎng)度的盲巷。

圖1 工作面三維模型圖

根據(jù)3116 工作面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，通風(fēng)示意圖如圖2 所示，風(fēng)量460 m3/min，采煤工作面瓦斯涌出量0.7 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量0.57 m3/min，絕對(duì)瓦斯涌出量1.34 m3/d。支架尾梁后1.5 m處瓦斯?jié)舛?%～0.02%。因此，本次數(shù)值計(jì)算設(shè)計(jì)了三種方案，分別為：

圖2 3116 工作面通風(fēng)示意圖

方案一（實(shí)際情況）：進(jìn)風(fēng)風(fēng)速0.8 m/s，煤壁瓦斯設(shè)置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，盲巷側(cè)壁瓦斯設(shè)置為0.8%，噴射速度0.05 m/s，分析工作面瓦斯的三維分布特征；

方案二（較大瓦斯釋放量情況）：進(jìn)風(fēng)風(fēng)速0.8 m/s，煤壁瓦斯設(shè)置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，盲巷側(cè)壁瓦斯設(shè)置為0.8%，噴射速度0.15 m/s，分析工作面瓦斯的三維分布特征；

方案三（留巷情況）：進(jìn)風(fēng)風(fēng)速0.8 m/s，煤壁瓦斯設(shè)置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，留巷側(cè)壁瓦斯設(shè)置為0.8%，噴射速度0.097 m/s（保持與原始狀態(tài)噴射量一致）。

需要說(shuō)明的是，為了對(duì)比分析不留巷與留巷兩種條件下工作面瓦斯的三維分布特征，方案一和二中巷道在工作面后方的部分設(shè)置為楔形盲巷狀態(tài)，方案三中巷道在工作面后方的部分設(shè)置為留巷狀態(tài)。

2 沿空留巷隅角瓦斯分布規(guī)律

2.1 實(shí)際情況下的瓦斯?jié)舛热S分布特征

當(dāng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)速0.8 m/s，煤壁瓦斯設(shè)置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，盲巷側(cè)壁瓦斯設(shè)置為0.8%，噴射速度0.05 m/s 時(shí)，工作面風(fēng)速的分布特征呈現(xiàn)出隨風(fēng)流方向逐漸梯度遞減的趨勢(shì)。在靠近進(jìn)風(fēng)巷的工作面，風(fēng)速整體呈均勻分布特征，有利于工作面瓦斯?jié)舛鹊慕档停h(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)巷的工作面，風(fēng)速分布的不均勻程度逐漸增大，且主要集中在靠近工作面煤壁的位置，導(dǎo)致上隅角瓦斯容易積聚超限，影響工作面的安全生產(chǎn)，可見(jiàn)工作面風(fēng)速的分布特征基本符合現(xiàn)場(chǎng)規(guī)律。

圖3 顯示了綜采工作面三維空間瓦斯?jié)舛确植紙D。由圖可知，工作面瓦斯的濃度分布特征呈現(xiàn)出隨風(fēng)流方向逐漸遞增的趨勢(shì)，即越靠近進(jìn)風(fēng)口瓦斯?jié)舛仍降?，并且上隅角瓦斯的濃度明顯高于工作面煤壁附近，工作面的瓦斯?jié)舛确植蓟痉犀F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛纫?guī)律。值得注意的是，通過(guò)對(duì)比分析巷道楔形懸頂區(qū)域的瓦斯?jié)舛确植继卣?，工作面瓦斯?jié)舛鹊姆植荚诤艽蟪潭壬鲜苓M(jìn)風(fēng)風(fēng)速的影響，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，有必要提高工作面的進(jìn)風(fēng)速度，以保證工作面風(fēng)流的有效覆蓋，避免瓦斯的積聚超限。

圖3 工作面三維空間瓦斯?jié)舛确植紙D（最大值設(shè)置為0.8%）

2.2 較大瓦斯釋放量下瓦斯?jié)舛热S分布特征

當(dāng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)速0.8 m/s，煤壁瓦斯設(shè)置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，盲巷側(cè)壁瓦斯設(shè)置為0.8%，噴射速度0.15 m/s，隨著瓦斯噴射速度的增大，工作面后方盲巷處及工作面后方的瓦斯?jié)舛确植枷鄬?duì)較大，并且回風(fēng)巷上隅角瓦斯?jié)舛鹊姆e聚范圍明顯大于進(jìn)風(fēng)巷。為了更直觀地分析工作面瓦斯?jié)舛鹊姆植继卣?，通過(guò)截取工作面不同位置的截面圖來(lái)進(jìn)一步分析瓦斯的濃度分布特征，具體的截面選取坐標(biāo)依次為Z=15 m、14 m、13 m、-50 m、-100 m、-147 m、-148 m 和-149 m。

對(duì)于Z=15 m、14 m 和13 m，即進(jìn)風(fēng)巷道處，高瓦斯?jié)舛确植颊w靠近采空區(qū)，并且越靠近工作面煤壁側(cè)瓦斯?jié)舛仍降?；?duì)于Z=-50 m 和-100 m 處，高瓦斯?jié)舛确植紖^(qū)域愈加靠近采空區(qū)，且瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較永明煤礦3121 工作面非爆破耦合切頂沿空留巷關(guān)鍵技術(shù)低；對(duì)于Z=-147 m、-148 m 和-149 m，即回風(fēng)巷道處，高瓦斯?jié)舛确植挤秶黠@變廣，瓦斯積聚明顯?？梢?jiàn)工作面上隅角即盲巷處易出現(xiàn)瓦斯積聚，使得瓦斯的濃度明顯升高。

此外，對(duì)工作面不同高度截面的瓦斯?jié)舛确植继卣鬟M(jìn)行了分析，具體的截面選取坐標(biāo)依次為Y=1 m 和2 m。圖4 顯示了工作面不同截面位置處的瓦斯?jié)舛确植继卣?。由圖可知，工作面瓦斯的濃度分布特征呈現(xiàn)出隨風(fēng)流方向逐漸遞增的趨勢(shì)。當(dāng)Y=1 m 時(shí)，工作面瓦斯?jié)舛日w較低；當(dāng)Y=2 m 時(shí)，工作面瓦斯?jié)舛让黠@增大。這是由于瓦斯的相對(duì)密度較小，而空氣的相對(duì)密度較大，則工作面較低位置處的瓦斯隨風(fēng)流運(yùn)移，而工作面高處的瓦斯隨風(fēng)流運(yùn)移的比例減低，因而導(dǎo)致工作面較低位置處的瓦斯?jié)舛鹊陀谳^高位置處。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，工作面的瓦斯?jié)舛确植蓟痉犀F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛纫?guī)律。

圖4 工作面不同截面處的瓦斯?jié)舛确植继卣?/p>

2.3 留巷情況下的瓦斯?jié)舛热S分布特征

當(dāng)進(jìn)風(fēng)風(fēng)速0.8 m/s，煤壁瓦斯設(shè)置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，留巷側(cè)壁瓦斯設(shè)置為0.8%，噴射速度0.097 m/s，當(dāng)進(jìn)行沿空留巷處理后，工作面整體的瓦斯分布范圍及濃度均有所增加，這可能是由于留巷處理導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)的瓦斯更多地涌向工作面，因此對(duì)于留巷工作面而言，要加強(qiáng)瓦斯治理工作。為了更直觀地分析工作面瓦斯?jié)舛鹊姆植继卣?，通過(guò)截取工作面不同位置的截面圖來(lái)進(jìn)一步分析瓦斯的濃度分布特征。具體的截面選取坐標(biāo)依次為Z=15 m、14 m、13 m、-50 m、-100 m、-147 m、-148 m 和-149 m。

對(duì)于Z=15 m、14 m 和13 m，即進(jìn)風(fēng)巷道處，高瓦斯?jié)舛确植颊w靠近采空區(qū)，并且越靠近工作面煤壁側(cè)瓦斯?jié)舛仍降?；?duì)于Z=-50 m 和-100 m 處，高瓦斯?jié)舛确植紖^(qū)域愈加靠近采空區(qū)，瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低；對(duì)于Z=-147 m、-148 m 和-149 m，即回風(fēng)巷道處，高瓦斯?jié)舛确植挤秶黠@變廣，瓦斯積聚明顯?？梢?jiàn)工作面上隅角即盲巷處易出現(xiàn)瓦斯積聚，使得瓦斯的濃度明顯升高。

此外，對(duì)工作面不同高度截面的瓦斯?jié)舛确植继卣鬟M(jìn)行了分析，具體的截面選取坐標(biāo)依次為Y=1 m 和2 m。圖5 顯示了工作面不同截面位置處的瓦斯?jié)舛确植继卣?。由圖可知，工作面瓦斯的濃度分布特征呈現(xiàn)出隨風(fēng)流方向逐漸遞增的趨勢(shì)。當(dāng)Y=1 m 時(shí)，工作面瓦斯?jié)舛日w較低；當(dāng)Y=2 m 時(shí)，工作面瓦斯?jié)舛让黠@增大。這是由于瓦斯的相對(duì)密度較小，而空氣的相對(duì)密度較大，則工作面較低位置處的瓦斯隨風(fēng)流運(yùn)移，而工作面高處的瓦斯隨風(fēng)流運(yùn)移的比例減低，因而導(dǎo)致工作面較低位置處的瓦斯?jié)舛鹊陀谳^高位置處。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，工作面的瓦斯?jié)舛确植蓟痉犀F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛纫?guī)律。

圖5 工作面不同截面處的瓦斯?jié)舛确植继卣?/p>

3 隅角瓦斯控制技術(shù)

3.1 合理通風(fēng)控制隅角瓦斯

合理的風(fēng)量是控制隅角瓦斯?jié)舛鹊闹匾侄?。?jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，3121 回風(fēng)巷實(shí)測(cè)風(fēng)量為392 m3/min，3121 進(jìn)風(fēng)巷實(shí)測(cè)風(fēng)量為384 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量0.57 m3/min，絕對(duì)瓦斯涌出量1.34 m3/d，通風(fēng)示意圖如圖6所示。依據(jù)《煤礦通風(fēng)能力核定標(biāo)準(zhǔn)》（AQ 1056-2008）和臨礦通發(fā)〔2019〕58 號(hào)《臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限公司關(guān)于印發(fā)礦井風(fēng)量計(jì)算方法》進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算，得到3121 工作面的風(fēng)量范圍為52～720 m3/min。按工作人員數(shù)量驗(yàn)算風(fēng)量不小于404 m3/min，因此，確定取3121 綜采工作面需要風(fēng)量不小于404 m3/min。在工作面風(fēng)流、工作面回風(fēng)流、回風(fēng)隅角處設(shè)置瓦斯檢查點(diǎn)。3121 工作面回風(fēng)巷甲烷傳感器設(shè)置三處：第一處設(shè)在工作面回風(fēng)隅角，位置設(shè)置在采煤工作面切頂線不大于1 m 的頂板處，報(bào)警濃度≥0.75%，斷電濃度≥1.0%，復(fù)電濃度＜0.75%；第二處設(shè)在回風(fēng)巷距工作面煤壁≤10 m 處，報(bào)警濃度≥0.75%，斷電濃度≥1.0%，復(fù)電濃度＜0.75%；第三處設(shè)在工作面回風(fēng)巷距回風(fēng)口10～15 m 處，報(bào)警濃度≥0.75%，斷電濃度≥1%，復(fù)電濃度＜0.75%。工作面應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)測(cè)風(fēng)及瓦斯?jié)舛?，并根?jù)測(cè)風(fēng)結(jié)果采取措施進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)。必要時(shí)，及時(shí)打關(guān)門柱，在留巷段減小滯后封閉距離。

圖6 3121 工作面通風(fēng)示意圖

3.2 回風(fēng)隅角抽放瓦斯

采煤工作面瓦斯涌出主要來(lái)源為采空區(qū)瓦斯涌出，回風(fēng)隅角是瓦斯涌出的主要通道，所以在回風(fēng)隅角采用插管式抽放瓦斯的方法，防止瓦斯向工作面回風(fēng)流大量涌出。

在3105 聯(lián)絡(luò)巷布置瓦斯抽放硐室。硐室距離3121 工作面回風(fēng)巷1920 m，硐室長(zhǎng)20.2 m，采用獨(dú)立通風(fēng)。硐室采用矩形斷面，硐室寬4.0 m，高2.5 m。

4 結(jié)論

1）根據(jù)鄰近3116 工作面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，研究了沿空留巷隅角瓦斯分布規(guī)律。通過(guò)對(duì)比實(shí)際情況以及留巷段滯后6 m 封閉情況，發(fā)現(xiàn)采面瓦斯?jié)舛然痉犀F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)瓦斯?jié)舛纫?guī)律，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛任闯蕖?/p>

2）針對(duì)3121 綜采工作面氣壓變化以及可能出現(xiàn)的回風(fēng)隅角瓦斯異常涌出的情況，采用合理控風(fēng)、減少留巷段滯后距離以及回風(fēng)隅角瓦斯抽放相結(jié)合的技術(shù)手段控制隅角瓦斯?jié)舛取?/p>