煤礦綜采工作面高抽巷通風技術研究

2020-01-17 06:47:24張毅

煤礦現代化 2020年1期

張毅

（山西晉城無煙煤礦業集團有限責任公司，山西晉城 048006）

0 引言

隨著煤層地質賦存條件的差異，相應瓦斯氣體含量差別較大，在未開采情況下，盡管煤層內的瓦斯氣體壓力可達十幾兆帕，但由于地層結構和壓力穩定，因此瓦斯狀態比較穩定，主要以吸附或游離狀態廣泛存在。采煤過程中，巷道掘進、工作面回采、頂板垮落等都會引起較大的巖層結構變化，原有的壓力平衡狀態失穩，瓦斯氣體在巖層和巷道內發生由高密度區向低密度區、由高壓區向低壓區的自發性擴散。回采過程不斷形成的工作面周邊的巖層結構變化最大，因此工作面容易發生瓦斯聚集，對煤礦安全生產造成較大影響[1-3]。

實踐表明，合理的巷道通風布置可有效降低局部區域的瓦斯聚集，且為生產活動不斷提供新鮮風流，因此井下通風設計對于煤礦安全生產尤為重要。本文所研究綜采工作面采用傳統的U型通風方式，基本可滿足生產需求，但仍存在回風隅角瓦斯濃度偏高等問題，為進一步提高生產過程的安全性和穩定性，本文將對“U型通風+高抽巷”通風方式的效果和巷道參數等進行研究。

1 工作面概括

晉興能源有限公司位于山西省呂梁市，礦區可采煤炭儲量1413Mt，主采8#和13#煤層。23107綜采工作面位于+640m水平21采區，主采13#煤層，煤層厚度12.10～16.08m，上部為半亮型煤，下部暗煤增多，煤層一般含1～3層夾矸，多為炭質泥巖，層厚0.10～0.65m，煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況表

工作面整體為一走向近南北傾向西的單斜構造，可采走向長度3400m，傾斜長度242.4m，傾角7.9°～9.6°。23107工作面位于21采區回風上山北側，西側、北側為實煤區，東北側為原斜溝煤礦舊礦13號煤采空區，上部為8號煤層18103、18105、18117采空區，上部東側為18101、18115采空區和原斜溝煤礦8號煤采空區。23107工作面采高為3.6m，有效控頂距為6.5m，長度260m；采用U型通風方式，兩側進風巷和回風巷斷面尺寸為3.5m×5m；后側采空區走向長度300m，傾向長度260m。

2 U型通風方式的缺點

一般情況下，U型通風方式（見圖1）以材料巷為進風通道，皮帶巷為回風通道，風流較為穩定，可源源不斷為工作面提供新鮮空氣，并將瓦斯氣體帶出。對于沒有瓦斯突出風險的礦井，U型通風方式以其較低的施工和維護成本優勢，被各大礦井廣泛采用，有效控制了井下工作面的瓦斯濃度。但這種通風方式也有以下兩方面缺點：①新鮮空氣從進風巷進入工作面后，部分風流漏入未壓實的采空區，并將其中富集的瓦斯氣體運移至工作面另一端，從回風巷端部排出，導致該位置的瓦斯濃度升高；②實踐表明，該種通風方式將在回風巷上隅角造成局部渦流，加劇了該位置的瓦斯聚集[4-6]。因此，U型通風方式在實踐生產中需對回風隅角的瓦斯濃度進行有效的監測和控制。

圖1 U型通風方式

3 高抽巷位置參數計算

3.1 高抽巷瓦斯抽采原理

煤層回采后，采空區上覆巖層失去支撐，發生周期性的大規模垮落，由于各部分巖層應力不同，所以垮落過程從下向上存在滯后性。如圖2所示，靠近采空區斷面的巖體，在拉應力和剪切應力綜合作用下，發生不規則的斷裂和垮落，為主要垮落區；在其上部的巖體，為裂隙區，剪切力減弱，但仍發生斷裂破壞，并將已垮落的底部巖層壓實；再往上的巖體，為離層區，主要受拉應力作用，發生離層斷裂，碎裂程度低，對裂隙區巖層的壓力作用較弱。因此，底部垮落區內被壓實巖層內的瓦斯氣體被擠壓進入上部裂隙區和離層區，導致采空區內出現局部瓦斯聚集現象[7-10]。

圖2 采空區內瓦斯聚集原理

在頂板上部設置高抽巷正是利用了上述的采空區瓦斯聚集特性，回采過程中，采空區周邊巖層裂隙快速發育，其中的瓦斯氣體沿裂隙運移至采空區，尤其是上層的裂隙區。因此，高抽巷應設置在裂隙區內，將采空區內的高濃度瓦斯抽出。

3.2 高抽巷位置參數計算

高抽巷的位置參數包括垂直高度和與回風巷的垂直水平距離：在垂直高度計算時，應考慮瓦斯的聚集位置和周邊巖層的穩定性，距離過大和過小都將影響抽采效果；在水平距離計算時，應根據經驗公式，避免距離過小造成的抽采巷圍巖裂隙增多，密封性變差，抽采能力降低。具體計算過程如下：

3.2.1 垂直高度

根據3.1分析可知，高抽巷的垂直位置應在頂板裂隙帶的中部，該位置的瓦斯聚集較為明顯，且圍巖完整性較好，不會再回采過程中發生垮落和堵塞，因此，高抽巷的垂直高度應滿足以下公式：

式中：Hm為冒落帶高度；Hl為離層區高度。

Hm和 Hl的經驗計算公式如式（2）、（3），該公式適用于采高小于3m的工況，且計算值與實際測量值較為接近，而當采高大于3m時，需要對兩公式的計算值進行修正，修正系數約為1.3-1.5。

本文所研究工作面的采高M為3.6m，據此可得：

由此可知，裂隙帶高度約在26.4～66.1m之間，則高抽巷的垂直高度HZ最終選擇為46至50m。

3.2.2 與回風巷的水平距離

采空區圍巖壓力較大，為避免過大壓力對高抽巷的破壞，其水平位置應盡量位于已充分卸壓的裂隙帶內。同時，還應充分考慮工作面通風負壓對采場瓦斯運移的影響，防止瓦斯氣體向回風巷的聚集。根據以往經驗，高抽巷與回風巷的水平距離S應滿足以下關系：

式中：β為頂板巖石的卸壓角，取β=65°。

由式（4）計算可知，高抽巷與回風巷的水平距離S為21.5m至23.3m；

4 高抽巷對瓦斯分布的影響分析

4.1 系統建模

以本文所研究綜采工作面一進一回的U型通風方式為例，經過結構簡化后，在FLUENT軟件中建立其通風巷道模型，巷道參數按第1節概況所述。另外，需假設采空區垮落巖石為非均勻多孔介質，冒落帶孔隙率為0.25，裂隙帶的孔隙率為0.1。另外，忽略通道內各種機械設備對氣流的影響。

4.2 U型通風方式模擬結果

圖3 U型通風方式瓦斯濃度分布圖

圖3 為U型通風方式瓦斯濃度分布圖，可以看出，在沒有高抽巷的情況下，采空區內的瓦斯氣體隨風流在回風巷口聚集并排出，但由于回風隅角渦流的存在，該位置的瓦斯濃度不易控制，容易出現瓦斯聚集和偏高的情況，模擬發現，在靠近巷口位置的最高瓦斯濃度可達0.6%左右，低于停工臨界濃度0.8%。但當開采至瓦斯富集濃度較高的煤層時，仍可能出現瓦斯濃度超限，并觸發報警。