薄煤层沿空留巷瓦斯分布规律及控制技术研究

刘元龙 李文强 马培言

（陕西永明煤矿有限公司，陕西 延安 716000）

随着煤炭资源的不断开采，煤炭资源越来越少，传统的留设煤柱开采方式[1-2]所造成的煤炭回收率低、资源浪费的问题日益突出。因此，采用并推广无煤柱沿空留巷开采技术将是煤炭资源可持续发展的重要方向。

沿空留巷[3-5]作为一种无煤柱护巷技术是合理地开发现有煤炭资源、提高煤炭资源采出率的一种有效途径。因此，为更好地了解沿空留巷条件下工作面的风速及瓦斯分布特征，以便实现工作面的安全通风，避免因瓦斯超限而影响正常生产。本文以永明煤矿3116 工作面为背景，通过数值模拟的方法对该工作面瓦斯分布规律以及瓦斯控制技术进行研究分析，验证数值模拟结果。

1 建立数值计算模型及方案

采用数值软件建立如图1 所示的三维数值模型，模型包括进风巷、工作面和回风巷。工作面的长度为160 m，进风及回风巷采用单体铰接梁进行超前支护，工作面内布置采煤机和液压支架，并根据现场工作面后方实际工况在工作面后方设置一定长度的盲巷。

图1 工作面三维模型图

根据3116 工作面的实测数据进行模拟，通风示意图如图2 所示，风量460 m³/min，采煤工作面瓦斯涌出量0.7 m³/min，相对瓦斯涌出量0.57 m³/min，绝对瓦斯涌出量1.34 m3/d。支架尾梁后1.5 m处瓦斯浓度0%～0.02%。因此，本次数值计算设计了三种方案，分别为：

图2 3116 工作面通风示意图

方案一（实际情况）：进风风速0.8 m/s，煤壁瓦斯设置为0.02%，喷射速度0.05 m/s，盲巷侧壁瓦斯设置为0.8%，喷射速度0.05 m/s，分析工作面瓦斯的三维分布特征；

方案二（较大瓦斯释放量情况）：进风风速0.8 m/s，煤壁瓦斯设置为0.02%，喷射速度0.05 m/s，盲巷侧壁瓦斯设置为0.8%，喷射速度0.15 m/s，分析工作面瓦斯的三维分布特征；

方案三（留巷情况）：进风风速0.8 m/s，煤壁瓦斯设置为0.02%，喷射速度0.05 m/s，留巷侧壁瓦斯设置为0.8%，喷射速度0.097 m/s（保持与原始状态喷射量一致）。

需要说明的是，为了对比分析不留巷与留巷两种条件下工作面瓦斯的三维分布特征，方案一和二中巷道在工作面后方的部分设置为楔形盲巷状态，方案三中巷道在工作面后方的部分设置为留巷状态。

2 沿空留巷隅角瓦斯分布规律

2.1 实际情况下的瓦斯浓度三维分布特征

当进风风速0.8 m/s，煤壁瓦斯设置为0.02%，喷射速度0.05 m/s，盲巷侧壁瓦斯设置为0.8%，喷射速度0.05 m/s 时，工作面风速的分布特征呈现出随风流方向逐渐梯度递减的趋势。在靠近进风巷的工作面，风速整体呈均匀分布特征，有利于工作面瓦斯浓度的降低，而远离进风巷的工作面，风速分布的不均匀程度逐渐增大，且主要集中在靠近工作面煤壁的位置，导致上隅角瓦斯容易积聚超限，影响工作面的安全生产，可见工作面风速的分布特征基本符合现场规律。

图3 显示了综采工作面三维空间瓦斯浓度分布图。由图可知，工作面瓦斯的浓度分布特征呈现出随风流方向逐渐递增的趋势，即越靠近进风口瓦斯浓度越低，并且上隅角瓦斯的浓度明显高于工作面煤壁附近，工作面的瓦斯浓度分布基本符合现场实测瓦斯浓度规律。值得注意的是，通过对比分析巷道楔形悬顶区域的瓦斯浓度分布特征，工作面瓦斯浓度的分布在很大程度上受进风风速的影响，因此在实际生产过程中，有必要提高工作面的进风速度，以保证工作面风流的有效覆盖，避免瓦斯的积聚超限。

图3 工作面三维空间瓦斯浓度分布图（最大值设置为0.8%）

2.2 较大瓦斯释放量下瓦斯浓度三维分布特征

当进风风速0.8 m/s，煤壁瓦斯设置为0.02%，喷射速度0.05 m/s，盲巷侧壁瓦斯设置为0.8%，喷射速度0.15 m/s，随着瓦斯喷射速度的增大，工作面后方盲巷处及工作面后方的瓦斯浓度分布相对较大，并且回风巷上隅角瓦斯浓度的积聚范围明显大于进风巷。为了更直观地分析工作面瓦斯浓度的分布特征，通过截取工作面不同位置的截面图来进一步分析瓦斯的浓度分布特征，具体的截面选取坐标依次为Z=15 m、14 m、13 m、-50 m、-100 m、-147 m、-148 m 和-149 m。

对于Z=15 m、14 m 和13 m，即进风巷道处，高瓦斯浓度分布整体靠近采空区，并且越靠近工作面煤壁侧瓦斯浓度越低；对于Z=-50 m 和-100 m 处，高瓦斯浓度分布区域愈加靠近采空区，且瓦斯浓度相对较永明煤矿3121 工作面非爆破耦合切顶沿空留巷关键技术低；对于Z=-147 m、-148 m 和-149 m，即回风巷道处，高瓦斯浓度分布范围明显变广，瓦斯积聚明显。可见工作面上隅角即盲巷处易出现瓦斯积聚，使得瓦斯的浓度明显升高。

此外，对工作面不同高度截面的瓦斯浓度分布特征进行了分析，具体的截面选取坐标依次为Y=1 m 和2 m。图4 显示了工作面不同截面位置处的瓦斯浓度分布特征。由图可知，工作面瓦斯的浓度分布特征呈现出随风流方向逐渐递增的趋势。当Y=1 m 时，工作面瓦斯浓度整体较低；当Y=2 m 时，工作面瓦斯浓度明显增大。这是由于瓦斯的相对密度较小，而空气的相对密度较大，则工作面较低位置处的瓦斯随风流运移，而工作面高处的瓦斯随风流运移的比例减低，因而导致工作面较低位置处的瓦斯浓度低于较高位置处。通过现场实测数据，工作面的瓦斯浓度分布基本符合现场实测瓦斯浓度规律。

图4 工作面不同截面处的瓦斯浓度分布特征

2.3 留巷情况下的瓦斯浓度三维分布特征

当进风风速0.8 m/s，煤壁瓦斯设置为0.02%，喷射速度0.05 m/s，留巷侧壁瓦斯设置为0.8%，喷射速度0.097 m/s，当进行沿空留巷处理后，工作面整体的瓦斯分布范围及浓度均有所增加，这可能是由于留巷处理导致采空区内的瓦斯更多地涌向工作面，因此对于留巷工作面而言，要加强瓦斯治理工作。为了更直观地分析工作面瓦斯浓度的分布特征，通过截取工作面不同位置的截面图来进一步分析瓦斯的浓度分布特征。具体的截面选取坐标依次为Z=15 m、14 m、13 m、-50 m、-100 m、-147 m、-148 m 和-149 m。

对于Z=15 m、14 m 和13 m，即进风巷道处，高瓦斯浓度分布整体靠近采空区，并且越靠近工作面煤壁侧瓦斯浓度越低；对于Z=-50 m 和-100 m 处，高瓦斯浓度分布区域愈加靠近采空区，瓦斯浓度相对较低；对于Z=-147 m、-148 m 和-149 m，即回风巷道处，高瓦斯浓度分布范围明显变广，瓦斯积聚明显。可见工作面上隅角即盲巷处易出现瓦斯积聚，使得瓦斯的浓度明显升高。

此外，对工作面不同高度截面的瓦斯浓度分布特征进行了分析，具体的截面选取坐标依次为Y=1 m 和2 m。图5 显示了工作面不同截面位置处的瓦斯浓度分布特征。由图可知，工作面瓦斯的浓度分布特征呈现出随风流方向逐渐递增的趋势。当Y=1 m 时，工作面瓦斯浓度整体较低；当Y=2 m 时，工作面瓦斯浓度明显增大。这是由于瓦斯的相对密度较小，而空气的相对密度较大，则工作面较低位置处的瓦斯随风流运移，而工作面高处的瓦斯随风流运移的比例减低，因而导致工作面较低位置处的瓦斯浓度低于较高位置处。通过现场实测数据，工作面的瓦斯浓度分布基本符合现场实测瓦斯浓度规律。

图5 工作面不同截面处的瓦斯浓度分布特征

3 隅角瓦斯控制技术

3.1 合理通风控制隅角瓦斯

合理的风量是控制隅角瓦斯浓度的重要手段。经过实测，3121 回风巷实测风量为392 m3/min，3121 进风巷实测风量为384 m3/min，相对瓦斯涌出量0.57 m3/min，绝对瓦斯涌出量1.34 m3/d，通风示意图如图6所示。依据《煤矿通风能力核定标准》（AQ 1056-2008）和临矿通发〔2019〕58 号《临沂矿业集团有限公司关于印发矿井风量计算方法》进行风量计算，得到3121 工作面的风量范围为52～720 m3/min。按工作人员数量验算风量不小于404 m3/min，因此，确定取3121 综采工作面需要风量不小于404 m3/min。在工作面风流、工作面回风流、回风隅角处设置瓦斯检查点。3121 工作面回风巷甲烷传感器设置三处：第一处设在工作面回风隅角，位置设置在采煤工作面切顶线不大于1 m 的顶板处，报警浓度≥0.75%，断电浓度≥1.0%，复电浓度＜0.75%；第二处设在回风巷距工作面煤壁≤10 m 处，报警浓度≥0.75%，断电浓度≥1.0%，复电浓度＜0.75%；第三处设在工作面回风巷距回风口10～15 m 处，报警浓度≥0.75%，断电浓度≥1%，复电浓度＜0.75%。工作面应根据实际需要随时测风及瓦斯浓度，并根据测风结果采取措施进行风量调节。必要时，及时打关门柱，在留巷段减小滞后封闭距离。

图6 3121 工作面通风示意图

3.2 回风隅角抽放瓦斯

采煤工作面瓦斯涌出主要来源为采空区瓦斯涌出，回风隅角是瓦斯涌出的主要通道，所以在回风隅角采用插管式抽放瓦斯的方法，防止瓦斯向工作面回风流大量涌出。

在3105 联络巷布置瓦斯抽放硐室。硐室距离3121 工作面回风巷1920 m，硐室长20.2 m，采用独立通风。硐室采用矩形断面，硐室宽4.0 m，高2.5 m。

4 结论

1）根据邻近3116 工作面的实测数据进行模拟，研究了沿空留巷隅角瓦斯分布规律。通过对比实际情况以及留巷段滞后6 m 封闭情况，发现采面瓦斯浓度基本符合现场实测瓦斯浓度规律，回风巷瓦斯浓度未超限。

2）针对3121 综采工作面气压变化以及可能出现的回风隅角瓦斯异常涌出的情况，采用合理控风、减少留巷段滞后距离以及回风隅角瓦斯抽放相结合的技术手段控制隅角瓦斯浓度。