分段留巷Y型通風采場瓦斯與流場分布三維實測與重構*

張 歡，趙洪寶,2，李曉白, 王宏冰 ,李兵偉，鄒友平

(1.共伴生能源精準開采北京市重點實驗室中國礦業大學(北京)， 北京 100083；2.河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室-省部共建國家重點實驗室培育基地河南理工大學，河南 焦作 454001；3.山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046600；4.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

0 引言

煤礦井下采掘工作面是最主要的開采作業空間，同時也是容易產生瓦斯集聚和受瓦斯災害威脅最為嚴重的場所。工作面空間內的瓦斯來源主要包括采空區涌入瓦斯、臨近層涌入瓦斯和工作面煤壁涌出瓦斯[1]。傳統的U型通風系統，不能很好的解決工作面瓦斯超限問題，尤其是工作面上隅角[2-4]；而采用兩進一回的Y型通風方式，不僅可以避免工作面和回風流瓦斯濃度過高，還可以很好的解決工作面上隅角瓦斯集聚的問題[5-9]。

目前對采場瓦斯濃度分布和流場形態規律的研究多集中于理論研究[10-12]、數值模擬研究[13-17]和現場實測[18-21]這3個方面。蔣曙光[10]、章夢濤[11]、劉劍[12]等基于一定的假設對采場流場進行了理論分析，并建立了相應的理論模型；Widiatmojo[13]、戚良鋒[14]、王凱[15]、李宗翔[16]、胡千庭[17]等將采空區視為理想的均勻多孔介質，對采空區的流場形態和瓦斯分布規律進行了研究；姜福興[18]、董海波[19]、陳勝利[20]、馬海峰[21]等運用實測技術手段研究了該開采條件下的采場瓦斯分布和運移規律。但是，理論研究由于往往基于多種理想假設而造成所得理論模型與現場實際相差較大，不能很好地指導現場；數值模擬往往對采場作適當的假設和簡化，使得數值模擬所得結果對現場實際生產所提供的指導也非常有限；現場實測可以很好地貼近實際生產，針對工作面具體情況，為安全生產提供可靠的技術指導。本文以山西霍爾辛赫煤礦3605綜放開采Y型通風采場不同區域三維實測所得的瓦斯濃度和風速為主要參數，分別對“兩進一回”Y型通風工作面、工作面運輸巷、輔助進風巷、沿空留巷(回風巷)及采空區瓦斯濃度區域分布規律進行了三維實測與重構，為該開采條件或相似開采條件下的瓦斯治理提供了技術指導。

1 采場瓦斯濃度及流場監測方案

1.1 工作面概況

選取霍爾辛赫煤礦3605綜放開采Y型通風工作面為監測對象。3605工作面位于該礦3#煤層六盤區一水平，工作面走向長度為1 726 m，傾斜長度為245 m，煤層平均傾角為7°，平均厚度為5.9 m，采放比為1∶0.97。工作面通風方式采用“兩進一回”的Y型通風方式，即工作面運輸巷和輔助進風巷進風，輔助進風巷沿空留巷回風，其中工作面運輸巷為主進風巷。沿空留巷采用分段沿空留巷，每隔50 m左右布設一個分段。工作面煤層經本煤層抽采后瓦斯含量為7.9 m3/t，煤層不易自燃，煤塵具有爆炸危險性。

1.2 監測點布置方案

為了更系統全面的監測綜放Y型通風工作面流場及瓦斯分布規律，分別在工作面運輸巷、輔助進風巷、工作面、沿空留巷不同區域內設置多個監測面，每個監測面根據不同情況設置多個監測點。各監測面布置示意圖如圖1所示，各監測面內監測點布置示意圖如圖2所示。

圖1 各監測面布置示意Fig.1 Schematic diagram of the monitoring surface layout

1)工作面運輸巷與輔助進風巷：工作面運輸巷和輔助進風巷分別設3個監測面，分別為超前支護前15 m處、超前支護處、距工作面10 m處；每個監測面均勻布置9個監測點，如圖2(a)所示。

2)工作面：工作面共設置了6個監測面，分別為靠近輔助進風巷液壓支架10架處、42架處、73架處(采煤機后)、104架處(采煤機前)、135架處、166架處，每個監測面均勻布置9個監測點，如圖2(c)所示。

3)沿空留巷：從工作面與沿空留巷的交叉處開始布設第一個監測面，每隔10 m布設一個監測面，共布設5個監測面；每個監測面均勻布置9個監測點，如圖2(b)所示。

圖2 各監測面內監測點布置示意Fig.2 Schematic diagram of each monitoring point layout

2 基于Matlab的采場瓦斯濃度及流場分布規律

根據上述監測點布置方案，每天分別在檢修班、采煤班監測各個監測點的風速和瓦斯濃度，連續監測15 d，收集所得數據，進行分類整理，然后把每個監測點、監測面的數據在三維空間上聯系起來，借助Matlab數值分析軟件進行插值擬合，并將其三維可視化，從而更直觀的獲得整個采場巷道內不同區域的流場和瓦斯濃度分布規律。

2.1 流場空間分布特征

工作面運輸巷配風量為2 224 m3/min，輔助進風巷風量為1 236 m3/min，工作面運輸巷為主進風巷，風速較大。

1)工作面運輸巷與輔助進風巷流場分布特征

對工作面運輸巷和輔助進風巷內各監測點所測風速進行三維重構，如圖3所示。

由圖3可知：工作面運輸巷向工作面拐角內角(工作面運輸巷監測面3內的①，④，⑦監測點區域)風速減小，而拐角外(③，⑥，⑨監測點區域)風速增大；輔助進風巷監測面3內的①，④，⑦監測點區域風速明顯減小，而⑤，⑥，⑨監測點區域風速明顯增大。采煤與檢修2種工況對工作面運輸巷和輔助進風巷內流場形態的影響不大，且分布規律大致相同。

圖3 兩進風巷內流場空間分布Fig.3 Space distribution of flow field in two intake airway

2)工作面流場分布特征

對工作面內各監測點所測風速進行三維重構，如圖4所示。

圖4 工作面內流場空間分布Fig.4 Space distribution of flow field in working face

由圖4可知：新鮮風流由工作面運輸巷進入工作面后風速呈現先減小后增大的變化規律，其中各監測面中靠近采空區的③，⑥，⑨監測點區域呈現該變化規律尤為顯著。這主要是由于風流剛進入工作面后由③，⑥，⑨監測點區域向采空區漏風，而在工作面的后半段，漏進采空區的風流部分重新流入工作面。由于受工作面機械設備、構筑物和漏風的影響，同一監測面內②，④，⑤監測點區域風速較大，⑥，⑧，⑨監測點區域風速較小。對于不同監測面的相同監測點區域，各監測面內的①，④，⑦監測點區域風速變化最小，且該部分區域風速與工作面斷面的平均風速最接近。

3)沿空留巷流場分布特征

對沿空留巷內各監測點所測風速進行三維重構，如圖5所示。

圖5 沿空留巷內流場空間分布Fig.5 Space distribution of flow field in gob-side entry retaining

由圖5可知：在工作面內風流與輔助進風巷內風流匯合處①，⑥，監測點區域風速較小，而③，⑧，監測點區域風速比較大，且其差別較大。風流進入沿空留巷后，從監測面1至監測面5風速整體上呈逐漸增大趨勢，局部風速可達8 m/s左右，這主要是由于隨著工作面不斷向前推進，沿空留巷深部斷面受擠壓變形后變小，且采空區向沿空留巷存在部分漏風造成的。

2.2 瓦斯濃度空間分布特征

1)工作面運輸巷與輔助進風巷瓦斯分布特征

對工作面運輸巷和輔助進風巷內各監測點所測瓦斯濃度進行三維重構，如圖6所示。

由圖6可知：工作面前方40 m范圍內工作面運輸巷與輔助進風巷內的瓦斯濃度均較低，且分布比較均勻。在與工作面煤壁平行斷面處瓦斯濃度出現明顯波動，表現為兩監測面內的①，④，⑦監測點區域瓦斯濃度顯著升高。工作面開機揭煤時，兩進風巷內的瓦斯濃度普遍高于停采檢修時15%～25%，這主要是由于工作面前方一定范圍的煤體受采動應力的影響，原本封存在煤體內的瓦斯涌入兩進風巷和工作面所致。

2)工作面瓦斯分布特征

對工作面內各監測點所測瓦斯濃度進行三維重構，如圖7所示。

由圖7可知：新鮮風流從工作面運輸巷進入工作面時瓦斯濃度較低，進入工作面后瓦斯濃度升高，從工作面監測面1至監測面6瓦斯濃度呈現逐漸升高的趨勢，且從監測面1至4瓦斯濃度升高較慢，而由監測面4至6瓦斯濃度升高較快。對于監測面內的不同監測點，①，④，⑦監測點區域的瓦斯濃度高于其他監測點區域，且工作面上部空間區域瓦斯濃度普遍高于下部。開機時工作面瓦斯濃度明顯高于檢修時，且在采煤機后(靠近沿空留巷側)瓦斯濃度顯著升高。

圖6 兩進風巷內瓦斯空間分布Fig.6 Space distribution of gas in two intake airway

圖7 工作面內瓦斯空間分布Fig.7 Space distribution of gas in working face

3)沿空留巷瓦斯分布特征

對沿空留巷內各監測點所測瓦斯濃度進行三維可視化處理，如圖8所示。

圖8 沿空留巷內瓦斯空間分布Fig.8 Space distribution of gas in gob-side entry retaining

由圖8可知：沿空留巷內從監測面1至5整體表現為靠近采空區上角位置(各監測面①，②，③，⑥，⑦，監測點區域)瓦斯濃度較高，但隨著沿空留巷向采空區深部延伸，這種局部瓦斯集聚的現象逐漸消失。沿空留巷初始斷面處不同監測點區域瓦斯濃度波動較大，表現為①，⑥，監測點區域瓦斯濃度較大。不同工況條件下，沿空留巷內瓦斯高濃度區域分布規律相似，且采煤班瓦斯濃度高于檢修班，局部瓦斯濃度可達0.65%左右。

3 近留巷側采空區瓦斯濃度分布規律

對于綜放開采Y型通風工作面，風流進入采空區后將靠近工作面后方采空區內的瓦斯吹向靠近沿空留巷側采空區，可能會導致瓦斯在近留巷側采空區集聚，基于此，在近留巷側采空區進行瓦斯濃度的三維監測，以得到采空區高瓦斯濃度區域的分布范圍。

3.1 采空區瓦斯濃度三維實測設備與監測方案

為了實現對采空區瓦斯濃度分布、變化規律的有效監測，自主研發了一種采空區瓦斯濃度區域分布三維實測裝置，該裝置主要由采氣頭、采氣管、瓦斯流量監測裝置、集氣裝置和瓦斯濃度檢測儀組成，其主要結構如圖9所示。

1A.短采氣管；1B.中采氣管；1C.長采氣管；2.采氣管閥門；3.管路閥門；4.瓦斯流量計；5.抽氣泵；6.集氣囊；7.瓦斯濃度檢測儀；8.采氣頭；9.組合紗網；10.管路快速接頭。圖9 采空區瓦斯濃度區域分布三維實測裝置結構示意Fig.9 Three-dimensional measurement device for the distribution of gas concentration in the goaf

采空區瓦斯濃度三維實測設備布設方案如下：

隨著采煤工作面推進，在綜采液壓支架后方(初次來壓后施工)鋪設采空區瓦斯濃度區域分布實測裝置。瓦斯濃度區域分布監測管鋪設在綜放支架后中部槽后方的采空區內。在工作面推進方向上設置3組瓦斯濃度區域分布監測管，根據所監測區域范圍不同，設置不同的監測管長度和上仰角，各監測管布置參數如表1所示。工作面每推進10 m，瓦斯濃度數據采集人員在留巷段內對鋪設在采空區內不同位置監測管的瓦斯濃度參數進行采集，從而得到采空區高瓦斯濃度區域的分布范圍。

表1 監測管布置參數Table 1 Parameter table of monitoring tube layout

3.2 近留巷側采空區瓦斯濃度三維分布特征與重構

基于上述采空區瓦斯濃度區域分布三維實測數據，在檢修班和工作班2種工況下，對近留巷采空區空間瓦斯分布進行三維可視化重構，如圖10所示。

圖10 近留巷側采空區瓦斯空間分布Fig.10 Space distribution of gas in the goaf near gob-side entry retaining

由圖10可知：綜放Y型通風條件下，近留巷側采空區在一定范圍內形成高瓦斯濃度集聚的危險區域。在垂直工作面向采空區深部延伸方向上，隨著距工作面距離的增加，采空區瓦斯濃度整體表現為先升高后略降低，在距工作面35～45 m范圍內瓦斯濃度達到最高，達0.75%左右；在平行工作面由沿空留巷向采空區深部延伸方向上，隨著距沿空留巷距離的增加，采空區瓦斯濃度先緩慢升高后降低，在距沿空留巷25～50 m范圍內瓦斯濃度達到最高，近0.8%；在垂直煤層底板方向上，采空區內瓦斯濃度由煤層底板向上瓦斯濃度逐漸升高，隨著向采空區深部延伸，采空區上部與下部瓦斯濃度趨于均勻，差別變小。不同工況條件下，近留巷側采空區瓦斯空間整體分布特征相似，差異主要表現為采煤班時靠近工作面后方采空區瓦斯濃度高于檢修班。

4 結論

1)基于現場實測參數，對分段留巷Y型通風兩進風巷、工作面及沿空留巷內的流場和瓦斯空間分布進行了三維重構；兩進風巷在與工作面交叉位置處流場和瓦斯濃度發生明顯變化，主要表現為靠近工作面煤壁拐角處風速減小而瓦斯濃度升高；工作面內高瓦斯濃度區域為靠近煤壁上方區域，且在工作面與沿空留巷交叉口靠近采空區側瓦斯濃度升高明顯；沿空留巷內靠近采空區上角位置瓦斯濃度較高；不同工況條件下，采場各巷道內流場及瓦斯分布規律相似。

2)借助自主研發的一種采空區瓦斯濃度區域分布三維實測裝置對近留巷側采空區瓦斯空間分布進行了三維實測和重構；分段留巷Y型通風條件下，近留巷側采空區在一定范圍內形成高瓦斯濃度集聚的危險區域，該高瓦斯濃度區域的范圍為在垂直工作面距工作面35～45 m范圍和平行工作面距沿空留巷25～50 m范圍內的采空區上部空間。

3)綜放開采工作面采用分段留巷Y型通風方式時，工作面上隅角瓦斯集聚的問題能夠得到很好的解決，但是瓦斯集聚的現象并沒有消失，而是轉移至靠近留巷的采空區內部，在一定范圍內形成高瓦斯濃度區域。同時，該區域受工作面漏風和頂板破斷巖塊垮落影響，易形成極大的瓦斯爆炸威脅。