下行通风综采工作面煤与瓦斯协调开采实践理论研究

张强 宋宏林 巩红林

摘  要：随着矿井开采时间的增长，开采深度的增加，许多单一灾害的矿井正慢慢转变成复合型灾害矿井。同时受到地质条件的制约、减灾抗灾实际的需要及矿井生产接续紧张的影响，少部分工作面在设计上不得不将原有采取的上行通风方式改变为下行通风方式，这就为采煤工作面在煤与瓦斯协调开采提出了新的难题。通过科学研究大兴矿N1201综采工作面采取下行通风的可行性，并在回采期间对工作面瓦斯涌出规律和现场治理实践进行分析总结，有效的解决了N1201综采工作面瓦斯治理技术方面的难题，缓解了矿井接续紧张的现状，为今后下行通风综采工作面的安全顺利回采积累了宝贵的经验。

关键词：下行通风;协调开采;瓦斯治理;数值模拟

中图分类号：TD712文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）32-0050-02

Abstract： With the increase of mining time and mining depth， many single disaster mines are gradually transformed into compound disaster mines. At the same time， due to the restriction of geological conditions， the actual needs of disaster reduction and resistance and the continuous tension of mine production， a small number of working faces have to change the original upstream ventilation mode to downward ventilation mode in design. This posed a new problem for the coordinated mining of coal and gas in coal mining face. Through the scientific study of the feasibility of adopting downward ventilation in N1201 fully mechanized mining face of Daxing Coal Mine， and analyzing and summarizing the gas emission law and on-site control practice of the working face during the mining period， it effectively solves the technical problems of gas control in N1201 fully mechanized mining face， alleviates the current situation of continuous tension in the mine， and accumulates valuable experience for the safe and smooth mining of downdraft fully mechanized mining face in the future.

Keywords： downward ventilation; coordinated mining; gas control; numerical simulation

1 概述

大兴矿属于复合型灾害矿井，煤与瓦斯突出、防灭火、瓦斯治理及防冲等灾害比较严重。随着开采时间的延长，开采深度的增加，煤层瓦斯含量也再不断增大，这就造成综采工作面回采期间瓦斯涌出量也随之升高，易造成工作回风顺槽和上隅角的瓦斯超限，对安全生产带来严重威胁。同时受到地质条件的制约、减灾抗灾实际的需要及矿井生产接续紧张的影响，少部分无突出危险的工作面在设计上不得不将原有采取的上行通风方式改变为下行通风方式，这就为采煤工作面在煤与瓦斯协调开采提出了新的难题。综采工作面的通风方式的布置，对采空区漏风、采空区瓦斯涌出及工作面的防火等有着显著关系，所以研究下行通风在工作面瓦斯治理及防火方面的客观规律对今后类似工作面保证安全顺利的回采有着极其重要的参考依据。

2 N1201工作面基本概况

N1201工作面位于北一采区西部，工作面可采走向长度为522米、宽度为190米，東侧靠近F/43号断层;西侧靠近F/4号采区边界断层;南侧为采区煤柱;北侧为2-3煤层最低可采边界线;该工作面下邻4-2煤层，平均煤厚为2.68米，大部分已回采。2-3煤层与4-2煤层间距在38.32～45.85米之间，一般为42.56米。N1201工作面煤层工业牌号为长焰煤，煤层的实际厚度在0.80米～2.24米之间，平均厚度为1.95米。通过煤层自然倾向性测定，煤层的发火期在1～3个月之间，煤尘爆炸指数为28.48%。根据4、7煤层采掘实见，本工作面不受火成岩构造影响;下部4-2、7-2煤层已回采完毕，处于被保护区，经瓦斯地质分析，认为本工作面为无突出危险区。

3 N1201工作面采用下行通风可行性分析

3.1 工作面下行通风瓦斯运移规律概况

针对N1201工作面地质条件及采空区气体流动的特性差异，同时结合瓦斯扩散运移特性规律，创建Navier-Stoke方程作为瓦斯流动运移模型，利用Navier-Stoke方程软件对综采工作面采空区瓦斯运移规律进行数值模拟，在参考数值模拟结果制定工作面瓦斯治理方案。

利用Navier-Stoke方程和Brinkman方程，就可以形象的构建出N1201工作面采空区瓦斯流动的具体模型，同时还能够体现出工作面及采空区内瓦斯流动的速度和压力的分布情况。Navier-Stoke方程和Brinkman方程应用条件为：在工作面煤壁上的气体的速度为0，应对的是煤壁为无滑移边界，工作面运顺的配风量是可以测得的，巷道的中心线可以应用工作面的对称边界条件，回顺巷道的平均压力是可以测定的。通过上述的方程，可以模拟出工作面在采用上行通风和下行通风的不同形式下，采空区瓦斯分布情况的三维空间分布图。通过图形可以很明显的看出，采用下行通风后采空区的瓦斯涌出量明显减少，回风侧上隅角的瓦斯浓度明显降低。

3.2 N1201工作面瓦斯运移规律合理性分析

通过建立下行通风工作面瓦斯运移规律的数值模拟模型可以看出，工作面的瓦斯涌出与工作面的通风方式有着密切的联系。采用上行通风时采空区瓦斯在工作面上隅角附近高度聚积并涌向工作面及回顺;采用下行通风时，采空区上隅角和下隅角两侧靠近工作面附近的瓦斯浓度均有所降低，但靠近下隅角一侧的瓦斯聚積比较明显。

4 N1201工作面回采期间各项措施及效果

4.1 工作面配风量的确定

采取“U”通风方式综采工作面，运、回顺两端的存在压差是风流流动的内在原因，其中一部分是机械风压，一部分是采空区的自然风压，工作面的风流方向总是从压差高的一端进入采空区，从压差低的一端流出采空区。而采用下行通风的工作面与上行通风的工作面相比，运、回顺两端压差要低，这样可以降低采空区的漏风量，因此采用下行通风工作面的配风量也比上行通风的工作面配风小。基于上述情况，N1201工作面配风量控制在900～1000m3/min之间，结合工作面在回采过程中瓦斯变化情况及最大风排量瓦斯量上看，回风瓦斯一般在0.3%～0.5%之间，风排瓦斯量在2.7～4.5m3/min之间，充分满足工作面生产的实际需要。

4.2 N1201工作面抽采方式的确定

工作面回采期间采取“多元”瓦斯抽采的治理理念，在回顺钻场向工作面施工斜交钻孔抽采采空区瓦斯;在回顺接设两趟6寸胶管利用低浓抽采系统治理上隅角瓦斯;在运顺钻场施工斜交钻孔和在采空区埋设4寸管路抽采下隅角采空区瓦斯;利用外围系统抽采N1403瓦斯道闭治理下层采空区卸压瓦斯等。N1201工作面回采期间最大日绝对瓦斯涌抽采量为15.27m3/min，运顺瓦斯抽采斜交钻孔浓度均在35%以上，有效的解决了采空区瓦斯治理问题。

4.3 N1201工作面采取“人机”双管双防机制

N1201工作面除了采取“合理配风”和“应抽尽抽”的防治理念外，加强生产期间的检查监控也尤为重要。工作面回采期间安排专职瓦检员对工作面前后30组支架的前梁、架间及煤壁的顶板瓦斯进行重点检查，尤其是下隅角前30组支架，发现瓦斯异常情况及时调整抽采系统进行处理。同时在工作面下隅角安设甲烷传感器和悬挂氧气便携，并实现瓦斯超限断电功能，防止在工作面下隅角出现瓦斯积聚隐患。N1201工作面在回采期间，工作面风流的瓦斯浓度在0.10%～0.20%之间，上隅角瓦斯浓度在0.10%～0.50%之间，下隅角瓦斯浓度在0%～0.20%之间，均保持在安全范围内。

4.4 合理设计埋管布局，实现瓦斯防火治理一体化

N1201工作面采取了“双隔断”抽注一体化的埋管布局，将采空区注氮防火与抽采瓦斯埋管相结合，利用不燃材料事先对采空区进行充填封堵隔断，使之在工作面采空区下隅角0～15m范围内构成一个“空间抽采”气室，通过预埋管路对采空区瓦斯进行抽采。通过“双隔断”抽注一体化的埋管方式，既解决了下隅角采空区瓦斯的问题，又保证了对采空区注氮防火影响的最小化，实现了瓦斯治理和防灭火的双向平衡。

5 心得体会

通过对N1201工作面回采期间采空区瓦斯运移及涌出规律的研究和分析可以得出，采空区瓦斯主要来源于采空区遗留浮煤、顶板裂隙卸压瓦斯、下临近层采空区卸压瓦斯这三个方面。因此在工作面实际回采过程中，有针对性的采取一系列措施，很好的解决了下行通风综采工作面瓦斯超限的问题，并取得以下经验体会。

（1）工作面采用下行通风的方式，工作面的配风量及风速要控制在一个合适的范围，否则会产生顶板层流从而出现瓦斯积聚，合理配风是下行风工作面瓦斯治理的基础条件。

（2）工作面采用下行通风的方式，工作面的自然风压与采空区的自然风压方向正好相反，并且存在着相互抵消的情况，非常有利于抑制采空区的漏风，缩小采空区漏风带和氧化带的范围，对于抑制采空区的自然发火有很大的辅助作用。

（3）工作面采用下行通风方式，减少了采空区瓦斯涌出量和漏风量，并且通过采空区瓦斯分布规律模拟可以看出，采用下行通风后，靠近采煤工作面附近采空区内的瓦斯浓度明显降低，有效的解决了“U”型通风工作面上隅角瓦斯容易积聚和超限的问题。

（4）工作面采用下行通风的方式，回采过程中空气质量较好，减少工作面作业人员受到生产煤尘的危害。

（5）工作面采用下行通风的方式，通过加强回采期间的瓦斯抽采、监测监控和通风瓦斯管理等措施，能够实现工作面的安全回采。

（6）对于生产接续紧张的矿井，如果不具备上行通风的条件，也是一种可以考虑的方式，并且能够很好的缓解矿井接续紧张的问题。

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