高瓦斯礦井綜放工作面通風方式優化

白 帆

（潞安集團余吾煤業公司，山西 長治 046000）

高瓦斯礦井回采工作面在生產過程中面臨著瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯管理困難、采空區瓦斯異常涌出等難題，甚至發生瓦斯超限事故，嚴重影響工作面的正常生產[1-2]。余吾煤業為高瓦斯礦井，采空區瓦斯涌出量在總瓦斯涌出量中占比超過20%。隨著礦井生產水平的延伸，通風距離增加，原有的U型通風方式也面臨著越來越大的挑戰。雖然加強了工作面本煤層瓦斯抽放措施[3]，并先后采取地面瓦斯抽采、采空區瓦斯排放、高抽巷抽采等措施[4]，但瓦斯治理效果仍達不到要求。因此，考慮通過優化通風方式解決瓦斯排放和工作面瓦斯濃度高的問題。

1 礦井概況

余吾煤業有限責任公司隸屬于山西潞安集團，位于長治市屯留縣，設計生產能力600 萬t/a，目前核定生產能力為750 萬t/a。該礦井田面積約161.205 km2，主采煤層為3#煤層，煤厚5.0～7.3 m，平均6.0 m，礦井資源儲量13 億t，可采儲量達6.6億t，平均埋深600 m。3#煤層瓦斯含量9.25 m3/t，瓦斯壓力0.69 MPa，系高瓦斯礦井，相對瓦斯涌出量11.3 m3/t，絕對瓦斯涌出量36.2 m3/min。

2 通風方式概述

余吾煤業自2014 年開始采用U 型+高抽巷的通風方式并陸續在多個回采工作面實施，取得了一定效果，但仍然存在上隅角渦流導致瓦斯聚集、采空區瓦斯涌出量大、瓦斯抽采困難等缺點。

為解決U 型工作面通風加高抽巷回風方式存在的諸多弊端，通過對現場實際情況的分析，決定采用W 型通風方式取代U 型通風。即在工作面布置上、中、下三條巷道，采用兩進一回或兩回一進通風方式，增加總通風斷面，減小回風阻力，使采空區瓦斯涌出量大幅度減少，同時提高風量，降低回風流瓦斯濃度，解決上隅角瓦斯管理的難題。通風系統差異如圖1 所示。

圖1 U 型通風和W 型通風示意圖

3 通風方式對比分析

采空區瓦斯賦存可分為：漏風影響區、瓦斯滯留區和壓實積聚區。其中瓦斯滯留區和壓實聚集區內瓦斯在沒有周期來壓的情況下通常不會直接進入工作面，而漏風影響區內瓦斯會受到工作面通風負壓影響涌入工作面。特別是U 型通風方式，工作面通風阻力較大，局部負壓明顯，采空區漏風量較大，還會造成上隅角處形成渦流，出現局部循環風，使瓦斯聚集。因此，減少采空區瓦斯涌出量最直接的方式是減小工作面的回風阻力或縮小漏風影響區的范圍。由圖2 可知，漏風影響區的大小與通風阻力和進（回）風長度關系密切，不同的通風形式產生的漏風影響區不同，瓦斯涌出量差異較大。W 通風系統中將采空區接近工作面的區域劃分為兩個漏風影響區，且由于通風阻力減小使其通風負壓顯著下降，在漏風影響區長度和U 型通風方式一致的情況下，使寬度明顯縮小，減少了受通風影響的采空區面積，降低瓦斯涌出量。通風網絡示意圖如圖3所示。

圖2 采空區瓦斯賦存三帶示意圖

圖3 兩種通風系統通風網絡示意圖

在工作面長度、寬度以及風量配給不變的情況下，W 型通風阻力和U 型通風阻力計算公式見式（1）。

式中：fu為U 型通風方式通風阻力，Pa；fw為W 型通風方式通風阻力，Pa；r1為進回風巷道通風阻力，Pa ；r2為工作面的通風阻力，Pa。

根據式（1）對W 型通風方式與U 型通風方式的通風阻力比值進行計算，結果見式（2）。

由式（2）可知，工作面走向長度和傾向長度相同且配風量一定的情況下，W 型通風阻力僅為U型通風阻力的62.5%，降幅超過1/3，采空區的漏風量明顯減少。

根據風阻和風量關系式H=RQ2，對風壓相同情況下風量進行計算可得：

由式（3）可知，在工作面走向長度和傾向長度不變的情況下，風壓為一定值時，W 型通風的風量為U 型通風風量的126%。

綜上所述，同等條件下，W 型通風阻力為U 型通風阻力的62.5%。風壓為一定值時，W 型通風風量為U 型通風風量的126%。因此，W 型通風可以縮小采空區受到通風負壓的影響范圍，同時能夠顯著降低回風流中的瓦斯濃度。

4 不同通風方式瓦斯濃度數值模擬

為進一步對工作面瓦斯運移規律進行研究，對工作面采空區不同位置瓦斯濃度進行預測，本次采用Gambit 構建物理模型，利用Fluent 軟件開展數值模擬，并將結果通過Tecplot 軟件進行處理，得到數值模擬結果。數值模擬的相關參數如下：工作面采空區的走向長度為100 m，傾斜長度為300 m，切眼寬度7 m，進回風巷道長度和寬度分別為10 m和3.5 m。數值模擬結果如圖4 所示。

由圖4（a）可知，U 型工作面上隅角處瓦斯積聚現象明顯，回風側高瓦斯區域范圍較大，采空區50 m 內瓦斯含量較高（瓦斯濃度8%），最大濃度約13%。由圖4（b）可知，W 型巷道布置情況下在采空區中部瓦斯積聚現象明顯，采空區30 m 范圍內瓦斯含量較高（瓦斯濃度8%），最大濃度約14%。通過分析可知，W 型通風方式可有效解決上隅角瓦斯管理難題，并能夠明顯縮小通風負壓影響的采空區范圍（長度減小20 m）。

圖4 瓦斯濃度數值模擬

5 W 型通風方案及工作面瓦斯抽采設計

5.1 通風方案設計

通過對兩種通風方式的分析可知，W 型通風方式在采空區瓦斯涌出量和工作面風量控制方面具有明顯優勢。因此，對5105 工作面通風系統進行優化，按照兩進一回的方式布置進回風巷道，即巷道中部沿底板挖掘5105 回風巷進行回風，5105 進風巷和5105 膠帶巷進風。5105 工作面W 型通風方式巷道布置圖如圖5 所示。

5.2 瓦斯抽采設計

5105 工作面煤層厚度較大，平均6.1 m，為了保證抽采效果，需要分層抽放。設計5105 膠帶巷和進風巷進行上分層煤層瓦斯抽采，5105 回風巷進行下分層抽采。三條進回風巷道間距為120 m，松動圈瓦斯可自然排放，因此設計本煤層抽放鉆孔長度110 m。在5105 回風巷設計邁步鉆場施工頂板孔對采空區瓦斯進行抽采，防止中隅角瓦斯積聚。瓦斯抽采鉆孔設計如圖6 所示。

圖5 5105 工作面W 型通風方式巷道布置圖

圖6 瓦斯抽采設計圖

5.3 優化效果

將工作面通風方式由U 型改為W 型后，工作面風量明顯提升，由1029 m3/min 增加為1255 m3/min。在優化抽采設計前后，對煤層進行了取樣分析，殘余瓦斯含量平均值由5.21 m3/t 下降為3.22 m3/t。在改變通風方式和優化抽采設計之后，工作面、上（中）隅角及回風巷瓦斯濃度分別由0.24%、0.66%和0.45%變為0.16%、0.38%和0.27%，瓦斯濃度顯著降低。

6 結論

（1）在U 型通風方式下工作面上隅角通風負壓最小，且易形成渦流，導致上隅角瓦斯積聚，是瓦斯管理的重點和難點。采用W 型通風方式后，上隅角瓦斯濃度顯著降低，且中隅角由于風流匯集，瓦斯排放效率高，可減少瓦斯聚集的可能性。

（2）采用W 型通風方式后，工作面通風阻力減小37.5%，通風量可提高26%，且采空區影響范圍縮小40%，大大提高了瓦斯排放效率，因此可適當增加工作面的寬度，提高回采效率。

（3）采用W 型通風方式后，需要掘進中間回風巷，但減少了高抽巷的開拓工程，降低施工成本和高抽巷抽采費用。同時三條巷道進行瓦斯抽采提高了瓦斯抽采效率，減小殘余瓦斯含量，降低了工作面瓦斯異常涌出風險。