综放面Y+L型通风联络巷合理间距研究

陈大广，沙　旋

(1. 山西高河能源有限公司，山西　长治　046000； 2. 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏　徐州　221116)

我国许多高瓦斯矿井巷道断面大、掘进速度快、瓦斯涌出量大，采用传统的U型通风方式，上隅角瓦斯超限问题严重[1]. 在此基础上，国内外进行了广泛研究，从数值模拟和现场实测等方面分析提出了Y型、U+L型、Y+L型、W型、E型、Z型、J型等通风方式[2-6]，解决采空区瓦斯回流采面上段的问题，降低采面上段瓦斯浓度，避免了U型通风时采空区瓦斯集中涌向采面上隅角引起瓦斯超限现象。“Y +L”型两进一回通风系统，因系统稳定、可靠，工作面风流充足，瓦斯稀释效果显著，在矿井中得到广泛应用[3, 7-9]， 然而在尾巷的长度选取方面无相对系统合理的研究，一般按经验值取60～100 m[3].本文以高河能源E1316工作面地质条件为依托，利用FLUNT模拟软件模拟工作面瓦斯流场特征，为确定合理的联络巷间距，确保矿井的安全高效开采提供科学依据。

1　工作面概况

高河能源东一盘区E1315、E1316工作面为相邻工作面，主采3#煤，煤厚6.2～7.5 m，平均6.5 m，煤层倾角1°～7°，平均5°，煤层强度较低，为松软煤层，f=0.7，煤层埋深445～484 m，平均467 m.由2014年度高河能源瓦斯涌出量测定结果可知，矿井绝对瓦斯涌出量253.92 m3/min，为高瓦斯矿井，依据《E1315回采工作面抽采评判报告》，E1315工作面经抽采后瓦斯含量为6.788 6 m3/t；3#煤层具有煤尘爆炸性，无煤(岩)与瓦斯(二氧化碳)突出危险性，无发火自燃现象，属不易自燃煤层。

在E1315工作面回采过程中，沿E1315工作面采空区留设E1315进风顺槽作为E1316工作面回采时期的回风顺槽，并且沿着E1315进风顺槽留35 m大煤柱掘进E1316进风顺槽，巷道布置示意图见图1.

图1　巷道布置示意图

2　物理模型及网格划分

1) 物理模型。

利用Gambit软件建立综放面采空区的数值计算模型后，再对模型进行网格划分。本次模型采用的非结构化网格划分技术能自动生成四面体网格并且在局部复杂结构区域细化网格，共747 002个网格。采空区冒落带高度取12.9 m，裂隙带高度取46.5 m，不考虑弯曲下沉带。网格划分图见图2.

图2　模型网格图

2) 边界条件及参数设置。

根据E1316综放工作面的现场实际情况，进风巷(jinfeng1)设为速度入口边界，风速2.9 m/s，风量3 045 m3/min；辅助进风巷(jinfeng2)设定为速度入口边界，风速1.4 m/s，风量 1 470 m3/min，回风巷(huifeng)设定为自由出口边界(outflow)，采空区的孔隙率和瓦斯源项通过UDF函数来定义。

3) 数值模拟方案。

在E1316工作面现已掘进巷道的基础上，再新掘一条进风顺槽和原有巷道构成两条进风顺槽，回风顺槽为沿空所留巷道，工作面的污风通过进风顺槽和回风顺槽之间的联络巷排出，因此，联络巷间距对工作面回风有着重要的影响。本次模拟的联络巷间距分别为15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m和45 m，模拟以工作面后方联络巷间距最大时为研究对象，联络巷位置见图1.

3　数值模拟结果分析

将Gambit软件输出的网格文件导入到FLUENT中，按照边界条件及参数进行设置，对不同间距的联络巷进行模拟，从而研究工作面上隅角瓦斯分布情况。为了更好地显示瓦斯的分布情况，分别作出瓦斯的空间分布图见图3，X方向切片、Y方向切片和Z=2切片瓦斯分布图见图4.

图3　瓦斯空间分布图

图4　联络巷间距35 m时瓦斯分布图

由图3可知，在两进一回的Y型通风条件下，新鲜风流由右侧的胶带顺槽进入工作面及采空区，另一侧由进风顺槽进入的新鲜风流稀释工作面出来的污风。同时可以看出，联络巷间距45 m与联络巷间距15 m相比，工作面上隅角浓度更低，联络巷间距的变化对胶带顺槽进风巷侧的瓦斯浓度影响较小，对回风顺槽侧的瓦斯浓度影响较大。当联络巷间距为15 m时，瓦斯含量最大为37.2%，而联络巷间距为45 m时，瓦斯含量最大为33.8%，瓦斯含量低10.1%.

由图4可以看出，在X方向切片中，当Y值相同时，随距离工作面距离的增大采空区瓦斯含量逐渐升高；在Y方向切片中看出，在X值相同时，随距离回风巷的距离减小瓦斯含量变大；从Z=2面切片可以看出距离工作面较近的一部分受工作面漏风比较大，瓦斯浓度很低；在走向方向上，越远离工作面，瓦斯体积分数越大；在靠近回风巷一侧的采空区，瓦斯体积分数在工作面与回风联络巷之间，瓦斯浓度变化很小，在回风联络巷之后的采空区深部升高较快。

为研究瓦斯含量与联络巷间距之间的关系，在图3中采空区左侧距进风顺槽10 m处沿Y方向作一条测线，并作出瓦斯含量与距工作面距离之间的变化曲线见图5.

图5　瓦斯含量与距工作面距离之间的变化曲线图

从图5中可以看出：

1) 不同联络巷间距下瓦斯含量变化趋势大致相同，在距工作面不远范围内的瓦斯含量变化不大，具有小幅度波动的特点，瓦斯含量较低，但随着与工作面距离的增加，尤其是超过联络巷间距后，瓦斯含量急剧增加，在采空区深处达到最大并趋于稳定。

2) 在采空区同一位置，随着联络巷间距的增大，瓦斯浓度逐渐降低；且随着联络巷间距的增大，低瓦斯区域的范围逐渐增加。对于15 m和20 m联络巷间距时，瓦斯含量明显整体偏高，而且高瓦斯区域距离工作面较近；而25 m、30 m和35 m联络巷间距时，瓦斯含量相对于15 m和20 m时有所降低，靠近工作面侧的低瓦斯区域范围也有所增加；对于40 m和45 m联络巷间距，虽然瓦斯浓度也有所降低，但伴随着联络巷间距的增加，意味着需要滞后工作面留巷距离越长，在采动影响下滞后支护较为困难，同时相应的支护成本增加。因此，合理的联络巷间距应该在25～35 m.

合理联络巷间距的确定要综合工作面的三维瓦斯流场分布规律与滞后工作面通过加强支护维护的巷道长度来确定。通过数值模拟分析得出，在工作面回采过后，应力峰值出现在滞后工作面35～40 m，工作面后方加强支护的巷道长度应位于此范围内以降低其维护难度。综合考虑，联络巷间距确定为30 m为宜。

4　结　论

1) 模拟分析了瓦斯空间分布、沿工作面走向、倾向和竖向3个不同方向上瓦斯浓度的分布特征，得出随着联络巷间距的增加，瓦斯含量呈降低趋势。

2) 结合工作面滞后支承压力影响，最终确定联络巷间距为30 m.

[1]何磊，杨胜强，孙祺, 等. Y型通风下采空区瓦斯运移规律及治理研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2011(02):50-54.

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[3]俞启香, 王凯, 杨胜强. 中国采煤工作面瓦斯涌出规律及其控制研究[J]. 中国矿业大学学报, 2000(01):9-14.

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