工作面Y 型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合分析

馮艷兵

（西山煤電馬蘭礦，山西 古交 030200）

在煤礦正常生產(chǎn)中，工作面回風(fēng)巷上隅角瓦斯積聚極易造成瓦斯?jié)舛瘸蓿o工作面高效開采帶來(lái)了極大的安全隱患。上隅角瓦斯積聚主要是由工作面漏風(fēng)風(fēng)流將采空區(qū)的瓦斯裹攜至回風(fēng)巷造成的，目前一般采用改變通風(fēng)方式、增加供風(fēng)量以及采空區(qū)埋管抽采瓦斯的方式解決工作面回風(fēng)巷上隅角瓦斯積聚問(wèn)題[1-5]。馬蘭礦10604 工作面軌道巷采用充填沿空留巷的方式保留下來(lái)，可使10604 工作面形成Y 型通風(fēng)。以此為背景，進(jìn)行馬蘭礦10604工作面Y 型通風(fēng)方式下采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合模擬分析，為該工作面及類似條件下工作面瓦斯與煤自燃治理提供參考。

1 工程背景

馬蘭礦10604 工作面位于南六采區(qū)左翼，屬于+910 m 水平，工作面埋深415～468 m。10604 工作面西南方向?yàn)槟狭蓞^(qū)下山巷道，東南方向和東北方向均為采空區(qū)，西北方向?yàn)?0602 工作面。工作面開采02#煤層，煤層平均厚度2.25 m，平均傾角2°。煤層直接頂為厚度3.40 m 的灰黑色粉砂質(zhì)泥巖，老頂為厚度3.10 m 的灰色粉砂巖，老底為厚度2.08～3.30 m 的灰白色細(xì)砂巖。地質(zhì)資料顯示，10604 工作面所在區(qū)域02#煤層原始瓦斯含量為6.4 m3/t，預(yù)計(jì)經(jīng)預(yù)抽后回采前殘余瓦斯含量4.0 m3/t。根據(jù)礦井及采區(qū)規(guī)劃，馬蘭礦10604 工作面軌道巷采用充填沿空留巷的方式保留下來(lái)，使10604 工作面形成Y 型通風(fēng)（兩進(jìn)一回，10604 工作面軌道巷、皮帶巷進(jìn)風(fēng)，10604 工作面專用回風(fēng)巷回風(fēng)）。工作面采掘工程示意圖如圖1。

圖1 工作面采掘工程示意圖

2 采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合模擬分析

以馬蘭礦10604 工作面采用Y 型通風(fēng)方式下為背景，進(jìn)行采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合模擬分析，為本工作面及類似條件下工作面瓦斯與煤自燃治理提供參考，本次模擬采用COMSOL 多場(chǎng)仿真模擬軟件進(jìn)行。

2.1 不同風(fēng)量下采空區(qū)瓦斯分布特征分析

馬蘭礦10604 工作面實(shí)際供風(fēng)量為1320 m3/min，采用不同供風(fēng)比進(jìn)行模擬分析采空區(qū)瓦斯分布特征。如圖2 給出了供風(fēng)比分別為0.5、0.75、1、1.25、1.5 時(shí)采空區(qū)瓦斯分布情況。由圖2 可知，隨著供風(fēng)比的增加，采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)呈先降低后增加的趨勢(shì)，采空區(qū)內(nèi)高瓦斯范圍逐漸遠(yuǎn)離工作面。對(duì)于采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)來(lái)說(shuō)，從0.5 增加至1.25時(shí)，隨著供風(fēng)比增加采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低；其中0.5 增加至1 時(shí)，采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)顯著下降；當(dāng)供風(fēng)比由1.25 增加至1.5 時(shí)，采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)了小幅度的增加。

圖2 不同供風(fēng)比時(shí)采空區(qū)瓦斯分布情況

圖3 給出了供風(fēng)比分別為0.5、0.75、1、1.25、1.5時(shí)工作面內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布曲線（X 軸為距工作面進(jìn)風(fēng)巷的距離）。由圖3 可知，在一定范圍內(nèi)，隨著與進(jìn)風(fēng)巷之間的距離增加，工作面內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)也呈現(xiàn)先增加后降低的態(tài)勢(shì)。工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)顯著下降發(fā)生在距工作面回風(fēng)巷小于20 m范圍，供風(fēng)比為0.5 時(shí)，工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值約1.91%；供風(fēng)比為1.25 時(shí)，工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值約0.23%，相對(duì)降低1.68%，這是由于供風(fēng)比0.5～1.25 范圍內(nèi)，風(fēng)流裹攜的瓦斯量小于采空區(qū)瓦斯涌出量；供風(fēng)比為1.5 時(shí)，工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值約0.26%，這是由于漏風(fēng)增加，漏風(fēng)風(fēng)流導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯涌出量增加。

圖3 不同供風(fēng)比時(shí)工作面內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布曲線

2.2 采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期的影響因素分析

自然發(fā)火期是指以揭露煤層起至發(fā)生自然發(fā)火為止的時(shí)間[6]，馬蘭礦10604 工作面不同推進(jìn)速度下采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期與風(fēng)速的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4 可知，當(dāng)10604 工作面推進(jìn)速度保持一定時(shí)，隨著工作面風(fēng)速增加，馬蘭礦10604 工作面采空區(qū)的自然發(fā)火期逐漸變短。工作面風(fēng)速?gòu)?.8 m/s 增加到2.0 m/s 時(shí)，采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期顯著降低。這是由于工作面風(fēng)速增加，進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)量增加，大量的氧氣進(jìn)入采空區(qū)，遺煤氧化區(qū)域范圍增加，采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃的可能性增加，這就導(dǎo)致了采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期逐漸變短，之后隨著工作面風(fēng)速繼續(xù)增加，采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期逐漸趨于穩(wěn)定。在10604 工作面風(fēng)速保持一定時(shí)，隨著工作面推進(jìn)速度的增加（從3 m/d 增加到12 m/d時(shí)），馬蘭礦10604 工作面采空區(qū)的自然發(fā)火期逐漸增加。

圖4 遺煤自然發(fā)火期與推進(jìn)速度、風(fēng)速的關(guān)系曲線

2.3 埋管抽采對(duì)采空區(qū)氧化帶的影響分析

為解決馬蘭礦10604 工作面上隅角瓦斯超限的問(wèn)題，采用采空區(qū)埋管抽采的方法進(jìn)行抽采瓦斯。由于采用埋管抽采采空區(qū)瓦斯時(shí)，導(dǎo)致采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的負(fù)壓增加，工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量也隨之增加。因此，采空區(qū)氧化帶范圍隨著瓦斯抽采流量的增加而逐漸增加。當(dāng)瓦斯抽采流量為20 m3/min 時(shí)，采空區(qū)氧化帶寬度約159 m；瓦斯抽采流量增加到50 m3/min 時(shí)，采空區(qū)氧化帶寬度增加至192 m；瓦斯抽采流量增加到80 m3/min 時(shí)，采空區(qū)氧化帶寬度增加至205 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

采用數(shù)值模擬的方法模擬了馬蘭礦10604 工作面推進(jìn)速度為6 m/d、供風(fēng)比為1、瓦斯抽采流量為40 m3/min 時(shí)的工作面瓦斯分布特征，見(jiàn)圖5 中實(shí)線所示。同時(shí)，在馬蘭礦10604 工作面采用Y 型通風(fēng)及采空區(qū)埋管抽采（瓦斯抽采流量為40 m3/min）的方式進(jìn)行治理工作面上隅角瓦斯超限問(wèn)題，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如圖5 中實(shí)心點(diǎn)所示。根據(jù)馬蘭礦10604 工作面傾向方向的瓦斯體積分?jǐn)?shù)的模擬結(jié)果和測(cè)試結(jié)果對(duì)比（圖5），馬蘭礦10604 工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合性良好，誤差小于5%；10604 工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)隨著與進(jìn)風(fēng)巷之間的距離增加呈現(xiàn)先增加后降低的態(tài)勢(shì)；工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值小于0.2%；采空區(qū)氧化帶寬度控制在128～145 m 范圍。表明馬蘭礦10604工作面采用Y 型通風(fēng)及埋管抽采可有效解決工作面上隅角瓦斯超限和遺煤自燃問(wèn)題。

圖5 工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布特征

4 結(jié)論

以馬蘭礦10604 工作面Y 型通風(fēng)為工程背景，模擬分析了不同風(fēng)量下采空區(qū)瓦斯分布特征、采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期的影響因素以及埋管抽采對(duì)采空區(qū)氧化帶的影響。分析表明，一定范圍風(fēng)量的增加可顯著降低采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)，工作面風(fēng)速或推進(jìn)速度增加均可降低采空區(qū)遺煤自然發(fā)火期，而采空區(qū)氧化帶范圍隨著瓦斯抽采流量的增加而逐漸增加。數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果均顯示，推進(jìn)速度為6 m/d、供風(fēng)量為1320 m3/min、瓦斯抽采流量為40 m3/min 時(shí)，工作面上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值小于0.2%，采空區(qū)氧化帶寬度控制在128～145 m 范圍，表明采用Y 型通風(fēng)及埋管抽采可有效解決馬蘭礦10604 工作面上隅角瓦斯超限和遺煤自燃問(wèn)題。