高瓦斯礦井“Y”型通風瓦斯治理系統的應用

劉利兵

（山西新景礦煤業有限責任公司防突隊，山西 陽泉 045000）

0 引言

瓦斯是煤在碳化過程中產生的一種氣體，在綜采工作面采煤過程中，賦存于原先煤體中的瓦斯以氣體的方式被釋放出來，在巷道或工作面內增加到一定程度后，如果被點燃就會發生爆炸，對煤礦工人的生命健康造成了嚴重的影響[1]。隨著開采深度的增加，煤礦事故的發生率也越來越高，特別是瓦斯爆炸事故[2-4]。在高瓦斯礦井的治理工作中，不僅需要對瓦斯進行抽采，減少瓦斯濃度，還需要提高工人的安全意識，從根源上解決問題。

新景礦作為高瓦斯礦井，瓦斯治理工作也是礦井的重點項目。礦井開采的3#煤是瓦斯突出煤層，回采面通風系統從“U+L”型發展到“Y”型，隨著生產需要，本著提高通風安全、降本增效理念，繼續探索和改進著回采面的通風方式。近年新景礦在3#煤回采面“沿空留巷”和“Y”型通風系統應用切實起到了瓦斯治理效果，現對實踐應用進行分析。

1 工程概況

佛洼區3216 綜采工作面標高517～556 m，埋藏深度為500 m，工作面走向方向長1 390 m，傾斜方向長216 m，面積為300 240 m2，煤層平均煤厚2.39 m。所采煤層原生裂隙發育，結構簡單，屬近水平中厚煤層，其厚度在1.86～2.95 m 左右，平均為2.40 m。

3#煤3216 綜采工作面每日生產大約為4 500 t，風排瓦斯量為10.75m3/min，瓦斯抽放量為26.09m3/min，絕對瓦斯涌出總量為36.84 m3/min。3216 工作面瓦斯主要來源于本煤層工作面開采所釋放的瓦斯、采空區和鄰近層的瓦斯涌出，瓦斯具體參數，如表1 所示。

表1 3#煤層瓦斯基礎參數表

2 “Y”型通風瓦斯治理系統

2.1 “Y”型通風系統簡介

如圖1 所示，新景礦所采用的通風系統為“Y”型通風系統，紅色箭頭代表進風，有兩條一條回風。通風路線為地面新鮮空氣→佛洼進風井→佛洼煤層軌道巷→二區煤層軌道巷→3216 進風巷→3216 工作面→3216 回風巷→佛洼北翼回風巷 →佛洼回風井→地面。其具體的“Y”型通風系統，如圖1 所示。

圖1 “Y”型通風系統

2.2 通風系統風量計算

按瓦斯涌出量計算，如式（1）～式（2）的所示：

式中：Q采工為工作面實際需要風量；q采風為工作面平均風排瓦斯量,取10.75 m3/min；Q采回為回風巷實際需要風量；KCH4為風流瓦斯涌出不均衡系數，取1.7。

由以上計算得：3216 工作面需風量為1 523 m3/min，工作面回風巷需風量為2 285 m3/min。

2.3 瓦斯治理措施

1）分別在3216 本煤層、鄰近層和采空區進行鉆孔預抽采。在工作面兩側分別鉆孔，封孔深位于距孔口8～16 m 處，封孔段長度不小于7 m。3216 工作面、鄰近層和采空區瓦斯抽采選用佛洼地面瓦斯抽采泵站負擔，泵站型號為2BEC72，額定流量為500 m3/min（鄰近層和采空區為600 m3/min）具體抽采路線，如圖2 所示。

圖2 3216 工作面、鄰近層和采空區瓦斯抽采路線

2）對采空區采取防漏風措施[5]。沿空留巷支模期間，采用噴漿、噴灑快速密閉等措施對沿空留巷柔模與頂底板間，柔模與柔模間進行堵漏風處理，防止沿空留巷向采空區漏風；工作面生產期間，及時對進落山頂板采用退錨、剪網等措施，不能讓采空區頂板處于懸掛狀態，防止向采空區漏風；懸掛風幕以減少漏風，要求風幕能覆蓋從煤幫到支架的整個斷面。

3）進行瓦斯突出危險性預測。以采用鉆屑法、瓦斯涌出初速度法等方法，通過判斷鉆屑的溫度或者是煤體的溫度等預測掘進巷道是否有瓦斯突出危險性。沿著工作面每隔10 m 左右布置預測鉆孔，孔深一般大于3 m，對工作面采煤時進行瓦突預測。之后對工作面瓦斯突出危險性由專業檢驗人員檢驗，如果無突出危險性，則可進行安全生產。

4）建立瓦斯抽采系統，完善瓦斯抽采管理制度。為了減小瓦斯抽采的時間，讓工作面盡快投入生產，可以在開切眼前一定距離布置橫向和縱向鉆孔，除此之外，還要合理安排抽、掘、采接替關系，按期檢查瓦斯抽采裝置和瓦斯濃度[6-7]，保證瓦斯抽采效果。

3 “Y”型通風方式數值模擬

3.1 數值模擬模型建立

根據新景礦工作面實際情況，走向長1 390 m，傾斜長216 m，面積為300 240 m2，煤層平均煤厚2.39 m。設定工作面尺寸為2.5 m×250 m×4 m，采空區尺寸設定為220 m×250 m×2.5 m，回風巷和兩個進風巷尺寸設定為100 m×2.5 m×4 m，采用自動網格劃分法得到的采空區模型圖，如圖3 所示，時間步長設置為1 h，具體參數如表2 所示。

圖3 采空區模型圖

表2 模型參數表

3.2 模擬結果分析

新景礦3216 綜采工作面實際供風量為1523m3/min，將供風比a 視為1，研究當供風比減少0.25，增加0.25 和0.5 時的瓦斯體積分數，這四種情況下的瓦斯分布圖，如圖4 所示。當供風比減少0.25 時，瓦斯體積分數處于50%以上的增加了幾乎一半以上；當供風比增加0.25 時，瓦斯體積分數降低不明顯，但相比于原來的也改善了很多；當供風比增加0.5 時，瓦斯體積分數處于50%以上的區域反而增加了很多。

圖4 瓦斯體積分數變化圖

瓦斯體積分數隨工作面傾向距離變化，如圖5 所示。從圖5 中可以發現，隨著離進風側越來越遠，瓦斯體積分數從0 開始增加到1 左右，在距離回風巷10 m左右時，瓦斯體積分數迅速減少；紅色曲線所代表的供風比為0.75 的瓦斯體積分數，離進風側越遠增加得越快；當a=1.5 時，由于采空區存在漏風使得空間中的瓦斯量增加，現有的供風條件抽采不能滿足需求，采空區瓦斯體積分數甚至遠超供風比為1 的瓦斯體積分數。

圖5 瓦斯體積分數隨進風側距離變化

3.3 預抽瓦斯效果分析

當供風比為1.25 時，預抽瓦斯效果分析如下：

1）采煤工作面回采前煤的可解析瓦斯量應達到的指標，如表3 所示。

表3 工作面回采前可解析瓦斯量應達到的指標

3216 工作面最大可解析瓦斯含量為Wj=5.1 m3/t≤5.5 m3/t，符合規定。

2）瓦斯涌出量來源于鄰近層的采煤工作面，工作面瓦斯抽采率的計算方法，如式（3）所示：

式中：ηm為工作面瓦斯抽采率；Qmc為月平均瓦斯抽采量，20.69；Qmf為當月工作面風排瓦斯量，10.75。代入數值計算得ηm=70.81%。

采煤工作面瓦斯抽采率70.81 大于應達到的指標20%到40%，完全符合標準。

3）工作面回風流中瓦斯濃度，3216 工作面回風流中平均瓦斯體積分數為0.23%，低于0.8%，符合標準。

3.4 “Y”型通風優點

新景礦作為高瓦斯礦井，其開采的3#煤是突出煤層，回采面通風系統從“U+L”型發展到“Y”型。“U+L”型的通風方式相比于“Y”型，該方式巷道布置簡單巷道便于維護，由于瓦斯流場的特殊性，常造成工作面上隅角瓦斯濃度大于礦井安全標準[8]。而工作面“Y”型通風方式需要在采空區的一側留設一條巷道，巷道的維護工作量較大但也有其優點[9]。相比“U+L”型通風Y 型通風方式有以下優點：

1）沿空留巷的巷道正好處在采空區一邊，因此采空區的瓦斯會直接進入回風巷，上隅角瓦斯濃度超限的問題也改善了很多。

2）由于有兩條進風巷，工作面的新鮮風流得到了很大的保證，工人的工作環境也相對較好。

3）沿空留巷，由于其處在應力降低區，因此避免了留設很寬的煤柱，從而提高了煤炭資源的利用率。

4）兩條進風巷使得工作面通風風量增加，由于開采所產生的瓦斯濃度變得更小，溫度也降低了很多[10]。

4 結論

通過在3216 本煤層、鄰近層和采空區進行鉆孔預抽采，對采空區采取防漏風措施，工作面瓦斯突出危險性預測，配合沿空留巷和采用供風比為1.25 時的工作面“Y”型通風方式，應用結果表明，新景礦3216 工作面瓦斯抽采率高達70.81%，回風流中平均瓦斯濃度僅為0.23%，工作面通風風量增加，風排瓦斯能力增強，瓦斯治理效果顯著，改善了工人作業環境，保障了礦井的安全高效生產。