高瓦斯礦井特厚煤層綜放開采通風系統改造與優化

白偉偉

(呂梁市煤礦機運管理中心，山西 033000)

1 工作面地質條件

8105工作面主采煤層平均厚度14.50m，普氏系數為2.7～3.7，煤層夾矸平均厚度0.96m。直接頂為泥巖、炭質泥巖，部分賦存巖漿巖，厚度2.57～6.43m，平均厚度4.49m。老頂為細砂巖與含礫粗砂巖，厚度為11.8～39.55m，平均厚度為22.93m。

礦井為高瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量為71.3m3/min，相對瓦斯涌出量為1.88m3/t，布置的8105工作面面長120m，推進長度為420m，采用“一進兩回”的“U+I”型通風方式。

2 工作面瓦斯積聚及通風系統優化

對工作面瓦斯涌出量實測分析可知：8105工作面絕對瓦斯涌出量在正常回采和異常期間分別為25～35m3/min和40～45m3/min；8208工作面分別為30～40m3/min和45～50m3/min。

分析工作面瓦斯超限的影響因素：首先特厚煤層開采，大量落煤使得短時間內大量瓦斯釋放；其次放煤及頂板來壓垮落擠壓采空區，使得瓦斯涌進工作面。

該工作面采用“U+I”型通風方式，使用中存在以下問題：

(1)根據圖1工作面高抽巷瓦斯分布情況可知，回采中瓦斯濃度普遍大于4.5%，且部分回采階段瓦斯超過了6.3%，超出煤礦安全的相關規定，使得工作面嚴重受到瓦斯災害威脅。

圖1 8105工作面頂板高抽巷內瓦斯濃度分布

(2)對不同瓦斯抽放泵排放口瓦斯濃度檢測，見圖2，可知各泵處瓦斯濃度多為3%～4.5%，部分回采階段瓦斯接近6%。表明部分區域瓦斯濃度超限，存在瓦斯爆炸等事故風險。

(3)“U+I”型通風中高抽巷沿煤層布置，存在自燃隱患，且封閉抽放使得瓦斯抽放情況不能時時掌握。

(4)對“U+I”型通風系統的風量分配和瓦斯抽放情況分析，該通風方式下工作面通風不能有效稀釋瓦斯且供風量不能進一步提升。

根據瓦斯治理要求和規定，基于提高工作面通風穩定性、安全性和保證工作面高效回采目的，認為現有U+I型通風方式不能滿足工作面通風需求。因此提出W+I型“兩進兩回”式通風系統，并對不同通風方式進行比較。

W+I型通風系統為“兩進兩回”(在現有 U+I 型通風系統基礎上，新增一條進風巷)，其中兩側巷道進風，中間兩條巷道回風。中間的兩條回風巷，一條與進風巷同水平掘進，作為回風巷；一條沿工作面頂板掘進，作為排瓦斯巷，且將瓦斯抽放管路埋入巷內距工作面迎頭20m，并與瓦斯抽放泵相連接，進行不封閉抽放，見圖3。

3 W+I型通風效能模擬分析

采用COMSOL Multiphysics軟件計算流體力學CFD模塊建立礦井通風數值模型，模型中巷道長度425m，工作面長度230m，對W+I型通風系統風流特征和瓦斯稀釋效果分析。得到如圖4、圖5和圖6所示通風效果。

對圖4通風速度分析，采用W+I型通風布置后工作面兩進風巷道風流較大，達到3m/s；在靠近巷道轉折點風流速度迅速下降，接近0.1m/s；在工作面回風順槽中風速較大，為6～7m/s，最大達到9m/s。

圖2 8105工作面各抽放泵排放口瓦斯濃度

圖3 W+I型通風示意圖

圖4 工作面風速等值線云圖

圖5 工作面通風渦度等值線圖

圖6 工作面巷道瓦斯濃度分布

分析圖5工作面渦度分布特征，在進風巷與工作面交匯點存在較明顯渦流，渦流速度為 1.325～8.602m/s；中部回風巷與工作面交匯點存在最大渦流速度為17.268m/s，為瓦斯交易積聚區。

由上述分析可知，W+I型通風系統布置方式中工作面風流速度較大，通風較順暢，對巷道拐角、交匯點瓦斯稀釋效果較明顯，可以滿足工作面生產對通風的要求。

4 現場應用效果分析

根據提出的通風方式和巷道布置，該礦在8105工作面進行了現場工業性試驗，監測得到如圖6所示工作面瓦斯濃度分布。

對圖6工作面巷道瓦斯濃度分析，采用W+I型通風布置后，中部回風巷瓦斯濃度最大為0.4%，且普遍小于0.35%，低于該礦瓦斯超限預警值，而其余巷道瓦斯濃度均小于0.25%，工作面回采期間未發生瓦斯超限，且工作面供風量滿足通風要求。

在工業性試驗期間，工作面安全推進距離100m，回收煤炭資源18.8萬t，取得了良好的經濟和社會效益。