斜沟矿综采面上隅角瓦斯治理技术研究

翟永青

（山西西山晋兴能源有限责任公司， 山西 兴县 033600）

煤炭作为我国基础能源及主要工业原材料供应着人民生活生产。随着我国煤炭资源的开采年限日益增加，煤炭资源赋存条件简单的煤层已经逐步得到开采。现阶段我国开采的主要对象转移到赋存较为复杂的煤层。赋存条件较为复杂的煤层在开采时大量的瓦斯聚集引发爆炸等事故成为了困扰矿山开采的重要难题。在现实生产时，治理瓦斯的方法较多，但治理的效果并不十分理想，所以研究矿山的瓦斯治理成为了热门课题。耿铭[1]为了验证L 型通风对综采工作面采空区的瓦斯进行抽采效果，利用数值模拟软件对其进行模拟，发现L 型钻孔抽采技术可以有效的解决瓦斯超限的问题，达到了稳定采空区的作用。张占国[2]研究了坚硬顶板冲击地压煤层发生瓦斯灾害的原因，提出六位一体的治理方法对瓦斯问题进行治理，并对治理后的工作面进行瓦斯监测，发现治理后的工作面无瓦斯涌出异常，有效的保证了工作面的安全。解志胜[3]针对工作面瓦斯突出问题，提出在工作面采用U 型通风与高位钻孔的方法对瓦斯进行治理，解决了工作面瓦斯积聚问题，实现了瓦斯零超限，保证了矿山的安全生产。刘军[4]分析了工作面瓦斯量与通风量之间的关系，提出通过顺层交叉钻孔，裂隙带抽采的方法对瓦斯进行治理，治理后综采工作面的瓦斯得到了有效的治理，瓦斯超限现象得到了遏制。本文以山西西山晋兴能源有限责任公司（全文简称斜沟矿）为研究对象，对斜沟矿综采面瓦斯进行治理，利用数值模拟软件对不同通风条件下的瓦斯分布进行研究，为治理斜沟矿瓦斯超限作出了贡献。

1 通风方式对瓦斯影响研究

斜沟矿某88201 工作面开煤层属于二叠纪煤层，煤层的倾角为3°~5°，煤层的平均倾角为4°，煤层厚度为5.1~8.23 m，煤层的平均厚度为6.3 m，矿山工作面走向长度为2 800 m，煤层设计采高为3.5 m，平均年产量为2.5 万t。由于在矿山的实际生产过程中瓦斯涌出量较大，威胁着矿山设备及矿山人员的安全，所以对上隅角瓦斯进行治理是十分有必要的。

目前我国主要针对煤矿瓦斯治理的方法为增大矿井的通风量、在井下设置挡风墙，对矿井进行设置上隅角风帘等。但上述的治理方案虽然在一定程度上可以治理矿井瓦斯浓度超限的问题，但同样会大矿井的漏风现象，从而引发矿山发生井下火灾。所以在一半治理矿山瓦斯问题时，常常选用加大工作面的通风量，改变或者优化原有的通风系统。现阶段常见的通风形式包括Y 型通风、U 型通风和联合通风系统。

U 型通风是一种常见的一进一回通风系统，此通风系统不仅施工较为简单快捷，同时此通风系统化维修简单，维修成本较低等。但由于采空区的空隙较大，造成部分风流会携带矿井瓦斯进行运动，在回风大巷的上隅角处形成瓦斯的涡流聚集区，导致瓦斯在此部位浓度加大，危害矿井安全。U 型通风结构示意图如图1-1 所示。

图1 通风系统示意图

Y 型通风相比于U 型通风是一种升级的通风系统，通风采用两进一回的通风模式。在采空区的瓦斯随着通入风流进行排出，与此同时，在工作面的上下侧由于处于进入风流位置，有效的解决了工作面上隅角形成瓦斯的超限问题，较好的改善了矿井回采工作面瓦斯超限的问题，有利于维持矿井的安全生产。但Y 型通风同样具有一定的弊端，Y 型通风系统施工较为复杂且维护成本较大，所以从经济学角角度可以看出，Y 型通风也存在使用的局限性。Y 型通风结构示意图如图1-2 所示。

U+L 型通风系统同样为U 型通风的升级，利用进风巷、尾巷、联络巷及回风巷组成一井两回式通风系统，其具有人工控制通风量，控制风巷的进风量比值等优点，可以在一定程度上解决矿井工作面上隅角瓦斯超限的问题，但此通风方式会加大施工量及后期的维护成本，所以也存在一定的缺点。U+Y 型通风结构示意图如图1-3 所示。

为了验证不同的通风系统下瓦斯的分布规律，本文利用FLUENT 模拟软件以斜沟矿88201 工作面为研究背景。对三种通风系统下的瓦斯浓度分布进行研究，研究发现当采用U 型通风时，此时在距离工作面10 m 的位置上隅角的瓦斯浓度达到1%，但此时Y 型通风的上隅角瓦斯浓度仅为0.1%。随着工作面的进一步推进，U 型通风的瓦斯量快速升高，当工作面推进至150 m 时，此时工作面上隅角的瓦斯浓度已经上升至65%。在工作面推进至150 m 时，此时u+L 型通风的瓦斯浓度较U 型通风有所降低，但瓦斯浓度仍然高于15%，所以也不否和安全的要求。继续观察Y 型通风，可以发现随着工作面的持续推进，瓦斯浓度始终保持一定的稳定，且瓦斯浓度最高不超过0.1%，可以看出U+L 型通风治理瓦斯浓度的效果处于U 型通风系统与Y 型通风之间，两进一回的通风形式可以较好的治理上隅角瓦斯超限问题[5]。瓦斯浓度对比图如图2 所示。

图2 瓦斯浓度对比图

2 埋管深度对瓦斯治理研究

为了对瓦斯的浓度分布规律进行进一步研究，本文采用U 型通风对采空区的瓦斯流动情况进行分析，给出设定瓦斯涌出量为12~16 m3/min，风量设定为1 500 m3/min，并对采空区进行简化处理，进风回风巷尺寸均设置为10 m×4 m，工作面设定为156 m×6 m，对模型进行建立及网格划分，根据矿山的实际地质资料对模型的参数进行设定，划分完成后对模型进行计算。

模拟计算结果显示，随着工作面的推进，上隅角向采空区的深部瓦斯浓度呈现出增大的趋势，距离工作面越远瓦斯的浓度含量越大。距离工作面10~20 m 的范围内，瓦斯浓度的变化趋势变化最为明显。所以利用FLUENT 模拟软件对不同埋管深度下工作面瓦斯浓度进行模拟。埋管深度选择为5 m、15 m、25 m。模拟结果如图3 所示。

图3 不同埋管深度下瓦斯浓度对比图

从模拟可以看出，上隅角进行埋管对瓦斯的治理效果较为明显，可以有效的降低工作面上隅角瓦斯超限的问题。而当埋管深度为5 m 时上隅角的瓦斯体积分数为0.6%~0.9%，回风巷的体积分数为0.5%~0.75%。当埋管深度为25 m 时上隅角的瓦斯体积分数为0.7%~0.95%，回风巷的瓦斯体积分数为0.5%~0.70%。当埋管的深度为15 m 时，此时对工作面的瓦斯抽采效果最为理想，上隅角的瓦斯体积分数最低为0.5%~0.8%，回风巷的体积分数为0.4%~0.60%有效的降低了工作面上隅角的瓦斯浓度超限问题，所以埋管深度为15 m 时的抽采效果最佳。

3 结论

1）利用数值模拟软件对不同通风方式下的瓦斯浓度进行研究发现，采用U 型通风和U+L 型通风时，瓦斯的浓度随着工作面的推进持续增大，而Y型通风的瓦斯浓度不随工作面的推进而发生改变。

2）根据对采空区及工作面瓦斯较为活跃的位置进行埋管抽采瓦斯可以有效的降低工作面及采空区的瓦斯浓度，维护巷道安全。

3）利用模拟对不同埋管深度下工作面瓦斯浓度进行分析后发现，当埋管深度为15 m 时上隅角与回风巷的瓦斯含量最小，有效的控制上隅角的瓦斯超限问题。