綜放面Y+L型通風聯絡巷合理間距研究

陳大廣，沙　旋

(1. 山西高河能源有限公司，山西　長治　046000； 2. 中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇　徐州　221116)

我國許多高瓦斯礦井巷道斷面大、掘進速度快、瓦斯涌出量大，采用傳統的U型通風方式，上隅角瓦斯超限問題嚴重[1]. 在此基礎上，國內外進行了廣泛研究，從數值模擬和現場實測等方面分析提出了Y型、U+L型、Y+L型、W型、E型、Z型、J型等通風方式[2-6]，解決采空區瓦斯回流采面上段的問題，降低采面上段瓦斯濃度，避免了U型通風時采空區瓦斯集中涌向采面上隅角引起瓦斯超限現象。“Y +L”型兩進一回通風系統，因系統穩定、可靠，工作面風流充足，瓦斯稀釋效果顯著，在礦井中得到廣泛應用[3, 7-9]， 然而在尾巷的長度選取方面無相對系統合理的研究，一般按經驗值取60～100 m[3].本文以高河能源E1316工作面地質條件為依托，利用FLUNT模擬軟件模擬工作面瓦斯流場特征，為確定合理的聯絡巷間距，確保礦井的安全高效開采提供科學依據。

1　工作面概況

高河能源東一盤區E1315、E1316工作面為相鄰工作面，主采3#煤，煤厚6.2～7.5 m，平均6.5 m，煤層傾角1°～7°，平均5°，煤層強度較低，為松軟煤層，f=0.7，煤層埋深445～484 m，平均467 m.由2014年度高河能源瓦斯涌出量測定結果可知，礦井絕對瓦斯涌出量253.92 m3/min，為高瓦斯礦井，依據《E1315回采工作面抽采評判報告》，E1315工作面經抽采后瓦斯含量為6.788 6 m3/t；3#煤層具有煤塵爆炸性，無煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出危險性，無發火自燃現象，屬不易自燃煤層。

在E1315工作面回采過程中，沿E1315工作面采空區留設E1315進風順槽作為E1316工作面回采時期的回風順槽，并且沿著E1315進風順槽留35 m大煤柱掘進E1316進風順槽，巷道布置示意圖見圖1.

圖1　巷道布置示意圖

2　物理模型及網格劃分

1) 物理模型。

利用Gambit軟件建立綜放面采空區的數值計算模型后，再對模型進行網格劃分。本次模型采用的非結構化網格劃分技術能自動生成四面體網格并且在局部復雜結構區域細化網格，共747 002個網格。采空區冒落帶高度取12.9 m，裂隙帶高度取46.5 m，不考慮彎曲下沉帶。網格劃分圖見圖2.

圖2　模型網格圖

2) 邊界條件及參數設置。

根據E1316綜放工作面的現場實際情況，進風巷(jinfeng1)設為速度入口邊界，風速2.9 m/s，風量3 045 m3/min；輔助進風巷(jinfeng2)設定為速度入口邊界，風速1.4 m/s，風量 1 470 m3/min，回風巷(huifeng)設定為自由出口邊界(outflow)，采空區的孔隙率和瓦斯源項通過UDF函數來定義。

3) 數值模擬方案。

在E1316工作面現已掘進巷道的基礎上，再新掘一條進風順槽和原有巷道構成兩條進風順槽，回風順槽為沿空所留巷道，工作面的污風通過進風順槽和回風順槽之間的聯絡巷排出，因此，聯絡巷間距對工作面回風有著重要的影響。本次模擬的聯絡巷間距分別為15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m和45 m，模擬以工作面后方聯絡巷間距最大時為研究對象，聯絡巷位置見圖1.

3　數值模擬結果分析

將Gambit軟件輸出的網格文件導入到FLUENT中，按照邊界條件及參數進行設置，對不同間距的聯絡巷進行模擬，從而研究工作面上隅角瓦斯分布情況。為了更好地顯示瓦斯的分布情況，分別作出瓦斯的空間分布圖見圖3，X方向切片、Y方向切片和Z=2切片瓦斯分布圖見圖4.

圖3　瓦斯空間分布圖

圖4　聯絡巷間距35 m時瓦斯分布圖

由圖3可知，在兩進一回的Y型通風條件下，新鮮風流由右側的膠帶順槽進入工作面及采空區，另一側由進風順槽進入的新鮮風流稀釋工作面出來的污風。同時可以看出，聯絡巷間距45 m與聯絡巷間距15 m相比，工作面上隅角濃度更低，聯絡巷間距的變化對膠帶順槽進風巷側的瓦斯濃度影響較小，對回風順槽側的瓦斯濃度影響較大。當聯絡巷間距為15 m時，瓦斯含量最大為37.2%，而聯絡巷間距為45 m時，瓦斯含量最大為33.8%，瓦斯含量低10.1%.

由圖4可以看出，在X方向切片中，當Y值相同時，隨距離工作面距離的增大采空區瓦斯含量逐漸升高；在Y方向切片中看出，在X值相同時，隨距離回風巷的距離減小瓦斯含量變大；從Z=2面切片可以看出距離工作面較近的一部分受工作面漏風比較大，瓦斯濃度很低；在走向方向上，越遠離工作面，瓦斯體積分數越大；在靠近回風巷一側的采空區，瓦斯體積分數在工作面與回風聯絡巷之間，瓦斯濃度變化很小，在回風聯絡巷之后的采空區深部升高較快。

為研究瓦斯含量與聯絡巷間距之間的關系，在圖3中采空區左側距進風順槽10 m處沿Y方向作一條測線，并作出瓦斯含量與距工作面距離之間的變化曲線見圖5.

圖5　瓦斯含量與距工作面距離之間的變化曲線圖

從圖5中可以看出：

1) 不同聯絡巷間距下瓦斯含量變化趨勢大致相同，在距工作面不遠范圍內的瓦斯含量變化不大，具有小幅度波動的特點，瓦斯含量較低，但隨著與工作面距離的增加，尤其是超過聯絡巷間距后，瓦斯含量急劇增加，在采空區深處達到最大并趨于穩定。

2) 在采空區同一位置，隨著聯絡巷間距的增大，瓦斯濃度逐漸降低；且隨著聯絡巷間距的增大，低瓦斯區域的范圍逐漸增加。對于15 m和20 m聯絡巷間距時，瓦斯含量明顯整體偏高，而且高瓦斯區域距離工作面較近；而25 m、30 m和35 m聯絡巷間距時，瓦斯含量相對于15 m和20 m時有所降低，靠近工作面側的低瓦斯區域范圍也有所增加；對于40 m和45 m聯絡巷間距，雖然瓦斯濃度也有所降低，但伴隨著聯絡巷間距的增加，意味著需要滯后工作面留巷距離越長，在采動影響下滯后支護較為困難，同時相應的支護成本增加。因此，合理的聯絡巷間距應該在25～35 m.

合理聯絡巷間距的確定要綜合工作面的三維瓦斯流場分布規律與滯后工作面通過加強支護維護的巷道長度來確定。通過數值模擬分析得出，在工作面回采過后，應力峰值出現在滯后工作面35～40 m，工作面后方加強支護的巷道長度應位于此范圍內以降低其維護難度。綜合考慮，聯絡巷間距確定為30 m為宜。

4　結　論

1) 模擬分析了瓦斯空間分布、沿工作面走向、傾向和豎向3個不同方向上瓦斯濃度的分布特征，得出隨著聯絡巷間距的增加，瓦斯含量呈降低趨勢。

2) 結合工作面滯后支承壓力影響，最終確定聯絡巷間距為30 m.

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