薄煤層沿空留巷瓦斯分布規律及控制技術研究

劉元龍 李文強 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采，煤炭資源越來越少，傳統的留設煤柱開采方式[1-2]所造成的煤炭回收率低、資源浪費的問題日益突出。因此，采用并推廣無煤柱沿空留巷開采技術將是煤炭資源可持續發展的重要方向。

沿空留巷[3-5]作為一種無煤柱護巷技術是合理地開發現有煤炭資源、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速及瓦斯分布特征，以便實現工作面的安全通風，避免因瓦斯超限而影響正常生產。本文以永明煤礦3116 工作面為背景，通過數值模擬的方法對該工作面瓦斯分布規律以及瓦斯控制技術進行研究分析，驗證數值模擬結果。

1 建立數值計算模型及方案

采用數值軟件建立如圖1 所示的三維數值模型，模型包括進風巷、工作面和回風巷。工作面的長度為160 m，進風及回風巷采用單體鉸接梁進行超前支護，工作面內布置采煤機和液壓支架，并根據現場工作面后方實際工況在工作面后方設置一定長度的盲巷。

圖1 工作面三維模型圖

根據3116 工作面的實測數據進行模擬，通風示意圖如圖2 所示，風量460 m3/min，采煤工作面瓦斯涌出量0.7 m3/min，相對瓦斯涌出量0.57 m3/min，絕對瓦斯涌出量1.34 m3/d。支架尾梁后1.5 m處瓦斯濃度0%～0.02%。因此，本次數值計算設計了三種方案，分別為：

圖2 3116 工作面通風示意圖

方案一（實際情況）：進風風速0.8 m/s，煤壁瓦斯設置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，盲巷側壁瓦斯設置為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）：進風風速0.8 m/s，煤壁瓦斯設置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，盲巷側壁瓦斯設置為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）：進風風速0.8 m/s，煤壁瓦斯設置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，留巷側壁瓦斯設置為0.8%，噴射速度0.097 m/s（保持與原始狀態噴射量一致）。

需要說明的是，為了對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置為楔形盲巷狀態，方案三中巷道在工作面后方的部分設置為留巷狀態。

2 沿空留巷隅角瓦斯分布規律

2.1 實際情況下的瓦斯濃度三維分布特征

當進風風速0.8 m/s，煤壁瓦斯設置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，盲巷側壁瓦斯設置為0.8%，噴射速度0.05 m/s 時，工作面風速的分布特征呈現出隨風流方向逐漸梯度遞減的趨勢。在靠近進風巷的工作面，風速整體呈均勻分布特征，有利于工作面瓦斯濃度的降低，而遠離進風巷的工作面，風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，導致上隅角瓦斯容易積聚超限，影響工作面的安全生產，可見工作面風速的分布特征基本符合現場規律。

圖3 顯示了綜采工作面三維空間瓦斯濃度分布圖。由圖可知，工作面瓦斯的濃度分布特征呈現出隨風流方向逐漸遞增的趨勢，即越靠近進風口瓦斯濃度越低，并且上隅角瓦斯的濃度明顯高于工作面煤壁附近，工作面的瓦斯濃度分布基本符合現場實測瓦斯濃度規律。值得注意的是，通過對比分析巷道楔形懸頂區域的瓦斯濃度分布特征，工作面瓦斯濃度的分布在很大程度上受進風風速的影響，因此在實際生產過程中，有必要提高工作面的進風速度，以保證工作面風流的有效覆蓋，避免瓦斯的積聚超限。

圖3 工作面三維空間瓦斯濃度分布圖（最大值設置為0.8%）

2.2 較大瓦斯釋放量下瓦斯濃度三維分布特征

當進風風速0.8 m/s，煤壁瓦斯設置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，盲巷側壁瓦斯設置為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濃度分布相對較大，并且回風巷上隅角瓦斯濃度的積聚范圍明顯大于進風巷。為了更直觀地分析工作面瓦斯濃度的分布特征，通過截取工作面不同位置的截面圖來進一步分析瓦斯的濃度分布特征，具體的截面選取坐標依次為Z=15 m、14 m、13 m、-50 m、-100 m、-147 m、-148 m 和-149 m。

對于Z=15 m、14 m 和13 m，即進風巷道處，高瓦斯濃度分布整體靠近采空區，并且越靠近工作面煤壁側瓦斯濃度越低；對于Z=-50 m 和-100 m 處，高瓦斯濃度分布區域愈加靠近采空區，且瓦斯濃度相對較永明煤礦3121 工作面非爆破耦合切頂沿空留巷關鍵技術低；對于Z=-147 m、-148 m 和-149 m，即回風巷道處，高瓦斯濃度分布范圍明顯變廣，瓦斯積聚明顯。可見工作面上隅角即盲巷處易出現瓦斯積聚，使得瓦斯的濃度明顯升高。

此外，對工作面不同高度截面的瓦斯濃度分布特征進行了分析，具體的截面選取坐標依次為Y=1 m 和2 m。圖4 顯示了工作面不同截面位置處的瓦斯濃度分布特征。由圖可知，工作面瓦斯的濃度分布特征呈現出隨風流方向逐漸遞增的趨勢。當Y=1 m 時，工作面瓦斯濃度整體較低；當Y=2 m 時，工作面瓦斯濃度明顯增大。這是由于瓦斯的相對密度較小，而空氣的相對密度較大，則工作面較低位置處的瓦斯隨風流運移，而工作面高處的瓦斯隨風流運移的比例減低，因而導致工作面較低位置處的瓦斯濃度低于較高位置處。通過現場實測數據，工作面的瓦斯濃度分布基本符合現場實測瓦斯濃度規律。

圖4 工作面不同截面處的瓦斯濃度分布特征

2.3 留巷情況下的瓦斯濃度三維分布特征

當進風風速0.8 m/s，煤壁瓦斯設置為0.02%，噴射速度0.05 m/s，留巷側壁瓦斯設置為0.8%，噴射速度0.097 m/s，當進行沿空留巷處理后，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致采空區內的瓦斯更多地涌向工作面，因此對于留巷工作面而言，要加強瓦斯治理工作。為了更直觀地分析工作面瓦斯濃度的分布特征，通過截取工作面不同位置的截面圖來進一步分析瓦斯的濃度分布特征。具體的截面選取坐標依次為Z=15 m、14 m、13 m、-50 m、-100 m、-147 m、-148 m 和-149 m。

對于Z=15 m、14 m 和13 m，即進風巷道處，高瓦斯濃度分布整體靠近采空區，并且越靠近工作面煤壁側瓦斯濃度越低；對于Z=-50 m 和-100 m 處，高瓦斯濃度分布區域愈加靠近采空區，瓦斯濃度相對較低；對于Z=-147 m、-148 m 和-149 m，即回風巷道處，高瓦斯濃度分布范圍明顯變廣，瓦斯積聚明顯。可見工作面上隅角即盲巷處易出現瓦斯積聚，使得瓦斯的濃度明顯升高。

此外，對工作面不同高度截面的瓦斯濃度分布特征進行了分析，具體的截面選取坐標依次為Y=1 m 和2 m。圖5 顯示了工作面不同截面位置處的瓦斯濃度分布特征。由圖可知，工作面瓦斯的濃度分布特征呈現出隨風流方向逐漸遞增的趨勢。當Y=1 m 時，工作面瓦斯濃度整體較低；當Y=2 m 時，工作面瓦斯濃度明顯增大。這是由于瓦斯的相對密度較小，而空氣的相對密度較大，則工作面較低位置處的瓦斯隨風流運移，而工作面高處的瓦斯隨風流運移的比例減低，因而導致工作面較低位置處的瓦斯濃度低于較高位置處。通過現場實測數據，工作面的瓦斯濃度分布基本符合現場實測瓦斯濃度規律。

圖5 工作面不同截面處的瓦斯濃度分布特征

3 隅角瓦斯控制技術

3.1 合理通風控制隅角瓦斯

合理的風量是控制隅角瓦斯濃度的重要手段。經過實測，3121 回風巷實測風量為392 m3/min，3121 進風巷實測風量為384 m3/min，相對瓦斯涌出量0.57 m3/min，絕對瓦斯涌出量1.34 m3/d，通風示意圖如圖6所示。依據《煤礦通風能力核定標準》（AQ 1056-2008）和臨礦通發〔2019〕58 號《臨沂礦業集團有限公司關于印發礦井風量計算方法》進行風量計算，得到3121 工作面的風量范圍為52～720 m3/min。按工作人員數量驗算風量不小于404 m3/min，因此，確定取3121 綜采工作面需要風量不小于404 m3/min。在工作面風流、工作面回風流、回風隅角處設置瓦斯檢查點。3121 工作面回風巷甲烷傳感器設置三處：第一處設在工作面回風隅角，位置設置在采煤工作面切頂線不大于1 m 的頂板處，報警濃度≥0.75%，斷電濃度≥1.0%，復電濃度＜0.75%；第二處設在回風巷距工作面煤壁≤10 m 處，報警濃度≥0.75%，斷電濃度≥1.0%，復電濃度＜0.75%；第三處設在工作面回風巷距回風口10～15 m 處，報警濃度≥0.75%，斷電濃度≥1%，復電濃度＜0.75%。工作面應根據實際需要隨時測風及瓦斯濃度，并根據測風結果采取措施進行風量調節。必要時，及時打關門柱，在留巷段減小滯后封閉距離。

圖6 3121 工作面通風示意圖

3.2 回風隅角抽放瓦斯

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

在3105 聯絡巷布置瓦斯抽放硐室。硐室距離3121 工作面回風巷1920 m，硐室長20.2 m，采用獨立通風。硐室采用矩形斷面，硐室寬4.0 m，高2.5 m。

4 結論

1）根據鄰近3116 工作面的實測數據進行模擬，研究了沿空留巷隅角瓦斯分布規律。通過對比實際情況以及留巷段滯后6 m 封閉情況，發現采面瓦斯濃度基本符合現場實測瓦斯濃度規律，回風巷瓦斯濃度未超限。

2）針對3121 綜采工作面氣壓變化以及可能出現的回風隅角瓦斯異常涌出的情況，采用合理控風、減少留巷段滯后距離以及回風隅角瓦斯抽放相結合的技術手段控制隅角瓦斯濃度。