Y型通风下采空区瓦斯运移规律及治理研究

　　摘 要：针对Y型综放面通风特点，组建Y型采空区综放面通风模拟流体计算模型。经过模拟数值研究Y型采空区综放面流场与瓦斯流动规律，并将U型系统通风与Y型系统通风进行比较分析，从而获得采空区瓦斯流动与流场运动的特点，并将研究结果运用在高瓦斯工作面Y型系统通风中，通过实际工作面具体情况设计建立CFD模型，最终获得Y型采空区系统通风瓦斯流动和分布情况，其模拟数据的结果和现场数据吻合，从而为系统通风与治理瓦斯工作提供优化依据。

　　本文源自高茜， 西部探矿工程 发表时间：2021-07-07

　　关键词：瓦斯流动;采空巷;Y型系统通风;高瓦斯

　　近年，中国在综采的方法、技术上取得高速发展，可是工作面出现高瓦斯喷涌是制约工作面开采生产、安全最主要的原因。国外利用 CFD 对工作面不同通风采空区内进行瓦斯流动分布模拟。国内有关机构也对通风采空区内瓦斯流动和流场进行模拟。通过模拟获得数据总结得知，治理开采工作面时的瓦斯喷涌问题应采取的措施为：加强现有通风量、抽放瓦斯与系统通风综合、加大抽放瓦斯能力，在上述措施中，加大通风量是最直接、最基础解决高瓦斯喷涌的方法。本文通过工作面高瓦斯治理为例，其沿空巷采用 Y 型方式进行通风，而且在沿空巷回风巷钻孔进行瓦斯抽放，从而降低减少了瓦斯的聚集量，保证了生产安全[1]。

　　1 工作面状况

　　工作面煤层的厚度为2.5m，煤层的倾角为7°，最大瓦斯喷涌量为 33.65m3 /min，平均喷涌 33.56m3 /min，相对涌出瓦斯8.19m3 /t，平均涌出瓦斯8.17m3 /t。综放走向长为 584m，倾向长为 151m。本区域的煤层很厚，地质简单，赋存较为稳定，非常适合放顶机械化采煤，其放顶机械化采煤日产可达3000t。

　　2 流体的模型建立

　　2.1 采空区控制渗流方程

　　首先把采空区综放面设定为混合体煤岩组成的介质为多孔空间，因为煤体松散孔隙分布不太均匀，漏风流与漏风源无法确定，煤体松散孔隙中流场漏风非常复杂，其采空区风流主要包括过度流、层流、紊流等[2]。所应用的方程为渗流非线性方程： EJ = U g ( 1 + VBDm nj ) - v 式中:E——煤体渗透率,m2 ; J——坡度的压力; U——煤体粘性运动的系数,m2 /s; Dm——平均粒径; V——裂隙带风速 , m/s; nj——裂隙带孔隙率; v——渗流的速度 , m/s; g——煤体重力速度,9.81m/s2 ; B——多孔粒子系数。

　　2.2 采空区渗透率与空隙率

　　采空区巷道工作面漏风的强度与煤体空隙存在直接的关系，煤体空隙率主要分两大类：一个是松散的煤体空隙，二是顶板垮落孔隙。煤体松散空隙会直接对煤体的燃点以及氧气分布、渗透产生影响，顶板的空隙将会对煤体散热漏风产生影响。当工作面向前开拓的同时，煤体空隙也将随着变化。当矿压很大时其孔隙率将会变小[3]。当时间作用的越长时其孔隙率将会越小，相反就会越大。

　　2.3 采空区U型工作面通风建立模型与条件边界分析

　　模型坐标的原点是模拟矩形回风巷中心点位置，如图 1坐标系左边原点位置，回风巷进风巷为 X 轴，顶板方向为 Y 轴，回风巷的风流向为 Z 轴。U 型工作面通风进风风量800m3 /min，Y型工作面通风两进风风量分别是 600m3 /min，200m3 /min。其气体的成分比为 21% 氧气、0.4% 甲烷，其它是氮气。表 1 为通风设置参数表。

　　3 采场模拟数据分析

　　3.1 U型采场通风瓦斯规律分布

　　3.1.1 倾斜工作面瓦斯规律分布

　　(1)在工作面距离很近采空区里，因为风流方向为进风向回风流动，瓦斯向着回风侧流动，这样瓦斯的浓度会越聚越多。在回风巷与上隅角瓦斯的浓度将成为最高区域[4]。

　　(2)在回风端工作面瓦斯的浓度递增较大，进风端工作面瓦斯的浓度递增较小。浓度大小主要取决于工作面的漏风情况。回风工作面瓦斯的浓度递增是因为采空区风流的原因。

　　3.1.2 采空区工作面瓦斯的浓度规律分布

　　根据模拟从隅角向采空区瓦斯的浓度逐步增高，据工作面的距离越远其浓度将会越大。采空区里瓦斯的浓度较高地区也就是采场瓦斯的浓度较高区，在这一区域也是抽放瓦斯理想点，客观上看，因为工作面附近采空区渗流的速度较小，因此将形成瓦斯的浓度较高地区，这将是水平高位瓦斯抽放理想区。

　　3.2 Y型采场通风瓦斯规律分布

　　3.2.1 Y型工作面通风倾斜瓦斯的浓度规律分布

　　(1)在工作面距离很近采空区里，因为风流方向为进风向回风流动，在Y型方式通风下，因为两条的进风巷风压各不相同，致使上隅角与回风巷瓦斯聚集量很低，其瓦斯的浓度显现从较高区向着深部采空区流动趋势。

　　(2)在进风巷工作面瓦斯的浓度不一，这是因为两侧的风压各不相同，风压大的巷道其瓦斯的浓度较小，瓦斯的浓度大小取决于Y型工作面的通风情况[5]。

　　3.2.2 Y型采空区通风瓦斯的浓度规律分布

　　在水平上看，从隅角向采空区的中部瓦斯的浓度逐步增高。采空区里瓦斯的浓度较高地区也就是工作面瓦斯的浓度较高区，纵向看，因为采空区的深部其浓度较大，其浓度大小取决于工作面的漏风状况，另外，在附近将形成瓦斯的浓度较高区，这也是理想抽放瓦斯采空区。

　　3.3 Y型的通风与U型的通风情况比

　　U 型工作面通风的系统布置的巷道简单，维护方便，因为瓦斯的流畅具有一定的特殊情况，瓦斯容易聚集在上隅角造成其浓度超过安全界限，使工作面生产造成安全隐患。Y型工作面通风的系统布置需在采空区设一巷道，其巷道维护、填充的工作量很大，但是优势很多[6]。由于两种方式通风不同，导致采空区内瓦斯分布与瓦斯的流场不同，其瓦斯的流场通风分布见图 2。

　　两者比较，Y型工作面通风优点如下：

　　(1)因为采空区瓦斯会涌入岩巷、回风巷里，这样能够最大程度解决瓦斯的浓度过高问题。

　　(2)工作面的顺槽与风巷都处在进风流里，从而改善工作的环境。

　　(3)其沿空的留空巷能够增加煤炭的回收。

　　(4)其工作面由于开采方式为无煤柱生产，因此应力区被消除并扩大了区域泄压的范围。

　　(5)因为工作面的通风量增加，所以，瓦斯排放能力得到加强，工作面的温度得到控制。

　　4 结论

　　由于采空区工作面存在瓦斯大量涌出，U 型的通风方式已经无法满足现有通风的需求，根据采空区工作面特点，选用Y型的通风能够有效地降低隅角、回风巷、采空区域瓦斯浓度。通过采空区 Y 型的通风模拟数据证明，漏风流沿工作面流入采空区的内部，在采空区的内部漏风流汇入专用瓦斯排风巷，消除了 U 型的通风方式导致的上隅角瓦斯聚集超标情况。

　　Y型的通风方式能够将采空区的瓦斯通过漏风流排除回风巷，这样解决了采空区瓦斯浓度聚集的现象，根据各工作面实际情况分析掌握采空区的流场与瓦斯的移动规律，使用Y型的通风技术，进行卸压、抽采瓦斯，成功消除瓦斯危险降低瓦斯的含量，从而使得高瓦斯煤层成为低危害煤层，最终确保工作面安全高效生产。