大采高采场瓦斯治理模型分析及通风系统优化

卢云

摘 要： 针对大采高采场的瓦斯治理，在构建与分析其治理模型的基础上，结合实例，提出通风系统优化措施，旨在为实际的瓦斯治理分析和通风系统优化工作提供参考借鉴。

关键词： 大采高采场;瓦斯治理模型;通风系统优化

【中图分类号】TD712+.54     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）17-0220-01

近几年，科学技术快速进步，煤炭生产中对生产效率、安全的要求越来越高，这使得大采高一次采全厚开采技术得到十分广泛的应用与发展。然而，由于受到开采深度日益增加等因素的直接影响，导致采空区中的瓦斯实际涌出量明显增加，使瓦斯超限的问题越来越常见和突出，这给矿井安全生产带来了很大威胁。传统的瓦斯抽采措施已经无法满足实际要求，有必要通过模型建立与分析对通风系统进行优化，以增强通风系统瓦斯抽采能力。

1 治理模型分析

在大采高工作面完成开采作业后，采场与采空区中的瓦斯将在通风系统当中向上隅角的方向不断运移，如果通风系统发生变化，将使导向风流改变，并对风流流场造成影响，最终使采场中上隅角部位的瓦斯实际运移和分布发生变化。根据通风系统实际情况，结合瓦斯抽采具体状况，可建立相应的瓦斯治理模型。受到通风系统中导向风流因素的影响，在采空区的垮落带与裂隙带当中，瓦斯运移与扩散对应的抽采和渗流模型可表现为：

式（3）中，K'表示残余碎胀系数;K0p表示初始冒落对应的碎胀系数;a表示衰减率，主要根据矿压的观测结果确定;x表示和采场支架之间的距离。式（1）中，l表示工作面长度;y表示和采场下部边界直接的距离;q表示抽采管入口处的实际流量。

根据以上模型，当采高增加时，流场高度也有所增加，碎胀系数发生变化，在不同的通风系统及抽采方式条件下，从采场中涌出的瓦斯会出现不同程度的运移与扩散[1]。

如果借助多巷系统进行瓦斯抽排，则受到风流导向作用后，部分瓦斯将随着采空区中的漏风通过轨道回风巷向外排出，另一部分瓦斯则随着风量通过联络巷向外排出，使采场与上隅角处瓦斯实际体积分数发生变化，主要为降低;此时如果破煤量突然增加，或实际的推进速度突然加快，将使瓦斯的实际涌出速度变快，在这种情况下倘若风流流场与风量不能及时有效的变化，将使上隅角处的实际瓦斯数量超限。

为了减小采场中瓦斯的实际体积分数，目前现场主要通过高位抽放钻孔对瓦斯进行抽采，以此实现对瓦斯流场分布情况的有效改变，使上隅角处的瓦斯含量明显减少。在抽采钻孔入口部位，其抽采边界条件可表示为：

-k·gradp1=q1（4）

式（4）中，p1表示钻孔抽采负压;q1表示抽采钻孔流量。对于中高位裂隙带，其钻孔在负压抽采作用下将在采场的上部等位置聚集高浓度能瓦斯，而且在部分地段的瓦斯实际涌出量突然增加时，因瓦斯自身具备浮升的作用，所以将持续向分布于顶板处的裂隙带中积聚，以此为钻孔抽采提供便利，进而能在很大程度上解决瓦斯超限的问题。然而，这样依然存在安全方面的隐患[2]。

为有效解决以上弊端，某矿床开采过程中将多巷通风更改成U型通风，并在瓦斯的抽采巷和回风巷之间设置的煤柱当中设置直径为250mm的穿透钻孔，用于对上隅角处的瓦斯进行抽采，采用此方法替代以往采用回风通道对上隅角处瓦斯进行风排的方式。与此同时，在采空区顶板中分布的高位裂隙带当中设置直径为153mm的定向钻孔，用于增加抽采流量，提高实际抽采能力，以此形成完整的U型系统，实现对瓦斯的有效抽采，增加实际抽采流量，这样能使采空区与上隅角处的瓦斯流场发生系统的变化。在这种情况下，抽采入口部位的边界条件可表示为：

-k·gradp2=q2（5）

式（5）中，p2表示钻孔抽采负压;q2表示钻孔抽采流量。

从式（1）-（5）能看出，采用钻孔的方式进行抽采能改变通风系统对应的边界条件，进而时采场中瓦斯实际运移与扩散发生变化，同时还能影响到采空区与上隅角处瓦斯实际分布状况，在这种情况下可根据数值模拟结果对瓦斯的运移特征进行分析，并据此对通风系统进行针对性的优化处理，最终为保证开采的安全性与高效性提供可靠保障。

2 通风系统优化

以常见的一进两回式通风系统为例对其存在的弊端进行分析，该通风系统主要利用联络巷对瓦斯进行抽采，为保证安全，需要在回风通道当中利用木垛进行支护，所需劳动量相对较大，且支护的成本也很高。另外，因回采巷道的高度很大，且顶板压力始终较高，所以其断面收缩情況往往比较严重，容易发生垮塌，导致上隅角处的风流无法保持稳定，支护维护难度较大，对安全性造成很大的影响[3]。

为了从根本上解决以上问题和安全隐患，可采用U型系统，具体做法为在顶板中设置直径相对较大的钻孔，利用钻孔对采场和采空区中的瓦斯进行抽采，同时在上区段煤柱当中也设置钻孔，用于抽采上隅角处的瓦斯，以此形成一个多钻孔充分结合的综合抽采形式，使采空区与上隅角处的瓦斯分布流场得以系统的改变，有效弥补通风系统存在的不足，最大限度发挥出新型通风系统具有的各方面优势，如结构简单和运行稳定等。

3 结语

综上所述，根据采场通风系统实际情况，结合瓦斯抽采具体状况，构件以上瓦斯治理数学模型，并借助抽采和渗流模型对不同通风系统条件下瓦斯运移具有的特征进行分析。在此基础上，根据多巷通风系统存在的弊端和U型通风系统具有的特征，通过钻孔增加实际的瓦斯抽采能力，从而有效防止瓦斯超限，杜绝相关安全隐患。

参考文献

[1] 李胜，张帅，罗明坤，范超军，杨振华.凤凰山矿外错高位钻场瓦斯治理技术[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2018，37（03）：493-498.

[2] 陈学华，邓春生，李鑫.亭南矿204工作面采场瓦斯运移规律及治理技术[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2015，34（10）：1111-1115.

[3] 王国祥，顾喜，董亮.突出煤层工作面回采过钻场瓦斯治理技术研究及应用[J].西部探矿工程，2013，25（10）：151-153.