高河能源高瓦斯綜放工作面上隅角瓦斯治理研究

陳孟長，武旭東，邢玉忠

(1.山西高河能源有限公司，山西 長治 047100； 2.太原理工大學安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024； 3.山西省煤礦安全研究生教育創新中心，山西 太原 030024)

瓦斯事故是目前煤礦開采中發生率最高，破壞程度最嚴重的礦井災害之一[1]。近年來，隨著礦井逐漸進入深度開采范圍，瓦斯壓力和瓦斯含量愈來愈大，瓦斯預抽采效果不理想，工作面上隅角瓦斯時常超限，嚴重制約著礦井的安全高效生產。針對這一問題，目前的手段主要有改善通風系統增加工作面配風量、加大瓦斯抽采力度等。對此，國內外學者進行了大量的研究與實踐，工作面采用U+L型、并列雙U型、W型等通風系統[2-5]均可以增加工作面風量，也可以控制上隅角瓦斯超限問題，但工作面U+L型和并列雙U型通風系統，存在回風經過采空區的問題，W型通風系統并不能解決上隅角瓦斯問題；此外工作面進回風順槽多、聯絡巷多，存在采掘接替緊張的問題；同時工作面配風量的增加，也造成了礦井供風壓力增大等問題。在瓦斯抽采方面，目前主要抽采方法是鉆孔抽采和高抽巷抽采。其中，鉆孔抽采瓦斯具有施工簡單、速度快的特點[6-8]，但由于受到深部煤層透氣性差等限制，抽采效果相對較差。研究表明，對于深部高瓦斯煤層，利用高抽巷可確保采空區瓦斯高效抽采，有效治理瓦斯[9-11]。由于我國地質條件復雜，對于不同的礦井需要進行針對性的研究，使高抽巷更好地發揮作用，保證瓦斯抽采效果。

為解決工作面上隅角瓦斯超限問題，高河礦結合自身地質條件，工作面普遍采用雙U型通風方式，內圈、外圈U型通風回路通過聯絡巷貫通，該通風方式在防止上隅角及回風流瓦斯超限取得了顯著效果。但是隨著礦井機械化水平的提高，開采規模和開采速度不斷提升，工作面進回風順槽及聯絡巷較多給礦井采掘銜接造成很大壓力，再加上綜放面瓦斯涌出量加大且不均衡，給礦井瓦斯治理帶來了新的難題。本文針對W1309綜放面所采用的并列雙U型通風方式的優缺點，并結合工作面煤層頂板情況，提出在雙U型通風方式的基礎上改成Y型通風，并結合高抽巷對采空區瓦斯進行抽采，即“Y+高抽巷”的瓦斯防控模式。通過理論分析、數值模擬及現場應用相結合的研究方法，對采用“Y+高抽巷”的瓦斯防控模式后能否解決工作面上隅角瓦斯超限難題進行了系統研究，為礦井的安全生產提供了理論指導。

1 “Y+高抽巷”瓦斯防控模式的布置方式

1.1 工程概括

高河能源是潞安集團控股的現代化大型礦井，主采3#煤層，開采標高為+300～+580 m，目前開采標高為+410～+500 m，采深超過400 m,開采區域瓦斯壓力為0.14～0.61 MPa，瓦斯相對涌出量為5.8～7.7 m3/t。

W1309工作面開采煤層為3#煤層，煤層平均厚度6.39 m，采高3.5 m，放煤高度2.89 m，可采長度1 780 m，采用走向長壁、后退式低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機械化采煤方法。工作面煤層頂板、底板巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 W1309工作面煤層頂板、底板巖層柱狀圖Fig.1 Column diagram of roof and floor rock seam in W1309 working face

1.2 工作面現狀及瓦斯治理效果

高河礦W1309綜放面現采用雙U型通風系統，如圖2所示，共布置4條巷道進行瓦斯治理，膠帶順槽、輔助順槽、內U回風順槽進風、外U回風順槽回風。三進一回雙U型通風系統雖能解決采煤期間瓦斯涌出量大的問題，目前隨著開采規模擴大，開采速度加快，綜放面瓦斯涌出強度高且不均勻，雖加大了工作面配風量，但風排瓦斯效果不理想，回采時上隅角瓦斯偶爾發生超限事故，且礦井供風緊張，直接影響礦井的正常生產。 因此，開展對工作面通風系統及瓦斯治理措施的研究具有特殊意義。

圖2 W1309工作面布置圖Fig.2 Working face arrangement of W1309

1.3 “Y+高抽巷”瓦斯防控模式的提出

為解決W1309工作面上隅角瓦斯超限問題，實現礦井的集約高效生產，基于工作面現雙U型通風系統，提出了“Y+高抽巷”的瓦斯防控模式。Y型通風系統巷道采取沿空留巷，可以避免雙U型通風巷道數量多導致礦井采掘接替緊張的局面；另外，工作面配風量相對小可緩解礦井的供風壓力。利用高抽巷抽放采空區瓦斯，防止采空區瓦斯涌向工作面，避免上隅角瓦斯超限。

2 采動覆巖裂隙發育高度數值模擬

采用FlAC3D數值模擬軟件模擬W1309工作面采動覆巖裂隙分布特征，確定“兩帶”高度范圍。

2.1 數值模型的建立及其相關參數

根據W1309綜放面的實際情況，運用FLAC3D數值模擬軟件建立模型，煤層傾角不大，視作近水平煤層，模型尺寸長×寬×高為300 m(X)×300 m(Y)×80.29 m(Z)，工作面沿Y=50 m開挖至Y=250 m處，開挖200 m。

計算模型采用塑性本構模型和摩爾庫倫模型，在進行開挖計算前，設置模型的初始應力條件，由于煤巖層埋藏于地下，為真實模擬地下應力環境，模型底部為固定約束，4個側面約束水平運動，上部施加9.83 MPa的均布覆巖載荷。 經整理地層狀況，高河能源3#煤層頂板、底板巖層的物理力學參數見表1。

2.2 模擬結果分析

將頂板位移發生突變位置作為裂隙帶下限，開始出現塑性變形或剪切破壞的巖層高度定為裂隙帶上限。如圖3所示，模擬結果表明，隨著工作面推進，覆巖裂隙的演化發育呈動態變化：當工作面推進20 m時，采空區的頂板上方3 m距離以內巖層位移發生突變，頂板下沉量明顯大于上覆巖層的下沉量，表明此時采空區上方直接頂發生初次垮落，此時冒落帶高度約為2.8 m；裂隙帶高度約為6 m；當工作面推進到50 m時，老頂冒落，此時冒落帶高度約為6.1 m，裂隙帶高度為13.8 m；工作面繼續推進，冒落帶和裂隙帶的高度不斷增大，到工作面推進至150 m時，覆巖裂隙發育達到穩定，這時由于垮落的巖塊不斷堆積壓實，逐漸具有較強的承載力，因此裂隙高度趨于穩定。最終冒落帶高度約為18 m，裂隙帶高度約為60 m。

表1 頂板、底板不同巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata in roof and floor

3 并列雙U型通風采空區瓦斯分布數值模擬研究

3.1 W1309綜放面雙U型通風方式布置情況

W1309工作面采用三進一回雙U型通風方式，共布置4條巷道對工作面瓦斯進行治理，分別為輔助順槽、膠帶順槽、內U回風順槽進風、外U回風順槽回風。總配風量5 200 m3/min，切眼風量3 000 m3/min。正常回采期間工作面各巷道風量見表2。

3.2 雙U型通風采空區瓦斯運移數值模擬

1) 模型建立及數值模擬參數。為了數值模擬的需要，根據W1309綜放面現場實際情況，建立一個梯臺形模型來模擬整個采空區和工作面。其具體尺寸如下：采空區覆巖卸壓角為67°，走向長度為240 m，傾向長200 m，冒落帶加上裂隙帶的高度，為60 m，其中冒落帶高度范圍為0～18 m，裂隙帶高度范圍為18～60 m；進回風巷道斷面為4 m×3.5 m；工作面長200 m，寬5 m，高3.5 m。 模型如圖4所示。

圖3 裂隙發育高度曲線Fig.3 Roadway support section

表2 W1309綜放面各巷道配風量Table 2 Air distribution amount of various roadways in W1309 fully mechanized caving face

圖4 雙U型通風模型圖Fig.4 Double U ventilation model diagram

采空區瓦斯運移的數值模擬關鍵是瓦斯質量源項、孔隙率及黏性阻力系數，其中，冒落帶的孔隙率和黏性阻力系數分別用UDF函數定義。根據實測數據及取值經驗，模型中所涉及的參數見表3。

2) 邊界條件的設置。①入口邊界：進風巷設置為速度入口(velocity-inlet)，以現場實測數據為主，考慮到現場測定的誤差，進行3次實測數據取平均值，其中，膠帶順槽進風量為2 630 m3/min，輔助順槽進風量為1 420 m3/min，內U回風順槽進風量為1 150 m3/min，配風比為2.3∶1.2∶1，且進風風流均垂直于巷道入口進入，風流中氧氣濃度為21%，瓦斯濃度為0。②出口邊界：外U回風順槽出口設置為壓力出口。③壁面邊界：工作面和高抽巷與采空區的接觸面均為交界面，冒落帶與裂隙帶交界面為內部面，其他面均為標準狀態壁面。④求解器的選擇：求解器選擇壓力基穩態求解，計算模型選擇標準k-ε湍流模型，采用壓力-速度耦合方式的SIMPLEC算法，其中Pressure方程選用PRESTO，該方程更適合多孔介質的計算，在計算過程中更有助于收斂。

3) 數值模擬結果分析。 按照上面確定的參數及邊界條件對雙U型通風方式下采空區瓦斯運移規律進行數值模擬，采空區瓦斯濃度分布如圖5所示。

表3 孔隙率、黏性阻力系數及源項參數表Table 3 Table of porosity,viscous resistance coefficient and source term parameters

圖5 采空區瓦斯濃度分布Fig.5 Gas concentration distribution in goaf

從整個采空區瓦斯的空間分布來看，采空區瓦斯分布具有明顯的特征，在縱向方向上，由于瓦斯的密度小于空氣，采空區瓦斯具有分層現象，裂隙帶瓦斯濃度明顯高于冒落帶瓦斯濃度，上部形成高濃度瓦斯區域。水平方向上，靠近工作面的區域尤其是進風側漏風較大，瓦斯在漏風流作用下向回風側運移，使進風側瓦斯濃度低于回風側；且距離工作面較遠的采空區，漏風流對瓦斯的運移作用逐漸減弱，深部逐漸被壓實，風流速度較小，所以采空區內部距工作面較遠區域瓦斯濃度較高。

4 “Y+高抽巷”通風采空區瓦斯運移及分布數值模擬

4.1 采空區數值計算模型

根據W1309綜放面現場情況，建立采空區三維物理模型，如圖6所示。工作面和采空區具體尺寸與上面建立的雙U型通風模型相同，高抽巷沿走向布置，巷道斷面為矩形，寬×高為4 m×3.5 m。

圖6 Y型通風示意圖Fig.6 Y-type ventilation schematic diagram

邊界條件設定主要考慮入口風速和出口壓力，數據以雙U型通風現場實測數據為主， 膠帶運輸順槽，回風順槽設定為速度入口，分別配風2 200 m3/min和1 050 m3/min(配風比2.09∶1)，且進風風流均垂直于巷道入口進入，風流中氧氣濃度為21%，瓦斯濃度為0；沿空留巷、高抽巷出口設為壓力出口，壓力分別為0 Pa、6 kPa。

4.2 高抽巷不同垂距下采空區瓦斯分布特征

模擬時設置高抽巷的平距均為25 m，垂距分別設定為25 m、30 m、35 m。 工作面上隅角瓦斯是否超限分別選取高抽巷不同垂距下底板上方Z=3.4 m切面查看瓦斯體積分布并進行比較，如圖7所示。高抽巷的抽采效果查看其出口瓦斯質量流量，進而得到抽采純量。

從圖7中可以看出，沿煤層走向方向上，自工作面至采空區深部瓦斯濃度逐漸升高，靠近工作面處的采空區瓦斯分數波動較大，在距離工作面約100 m外的采空區瓦斯體積分數基本穩定；回風巷側的瓦斯濃度明顯高于進風巷側。這是由于采空區漏風流對瓦斯的運移作用，從進風側向回風側方向上瓦斯濃度逐漸增大；而距離工作面越遠，采空區漏風流對瓦斯的運移作用逐漸減弱，采空區深部風流速度較低，所以采空區內部距離工作面較遠的區域瓦斯濃度較高。

圖7 不同垂距下Z=3.4 m切面上瓦斯體積分數分布Fig.7 Gas volume fraction distribution on Z=3.4 m section under different vertical distance

表4 不同垂距下瓦斯抽采效果對比Table 4 Comparison of gas drainage effect under different vertical distance

由表4可知，隨著垂距的增大，高抽巷抽采純量先增加后減小，其中垂距為25 m和35 m時，上隅角瓦斯濃度為0.87%和0.72%，無法滿足上隅角瓦斯管理的安全要求，且高抽巷抽采濃度和抽采純量較低，抽采效果差；而垂距為30 m時，抽采效果最佳，抽采濃度最高，可達8.11%，且抽采純量達到18.52 m3/min，上隅角瓦斯濃度明顯降低，達到《煤礦安全規程》的安全管理要求。因此，兼顧抽采效率和抽采的時效性，確定高抽巷最佳垂距為30 m。

4.3 高抽巷不同平距下采空區瓦斯分布特征

在確定高抽巷與工作面的最佳垂距30 m后，分別建立平距為20 m、25 m、30 m、35 m時的高抽巷抽采采空區瓦斯物理模型，并對其抽采量進行模擬，得到不同平距下高抽巷的抽采純量、上隅角瓦斯濃度。

圖8和表5分別為不同平距下底板上方Z=3.4 m切面上瓦斯分布規律和瓦斯抽采效果對比。由圖8可知，隨著高抽巷與回風巷水平距離的增大，瓦斯積聚位置逐漸遠離工作面，且高抽巷抽采瓦斯純量呈現先增加后減少的趨勢，高抽巷與回風巷平距為30 m時，高抽巷抽采瓦斯濃度最高，達到8.11%，并且抽采純量也達到最大，為18.89 m3/min，但上隅角瓦斯濃度相對較高。平距為35 m時，抽采純量明顯減小，上隅角瓦斯濃度迅速升高，此時由于高抽巷已布置于低滲透率區域，該區域不能為瓦斯提供積聚空間，瓦斯濃度減小且流動阻力增大，故抽采純量減小，導致瓦斯涌出量增多，上隅角瓦斯濃度升高；而高抽巷與回風巷平距為20 m和25 m時，采空區瓦斯分布相差不大，由于25 m時高抽巷抽采瓦斯濃度和純量相對較高且上隅角瓦斯濃度最低，因此綜合考慮覆巖斷裂角等影響，最終確定高抽巷與回風巷的平距為25 m。

圖8 不同平距下Z=3.4 m切面上瓦斯體積分數分布Fig.8 Gas volume fraction distribution on Z=3.4 m section under different flat distance

表5 不同平距下瓦斯抽采效果對比Table 5 Comparison of gas drainage effect under different flat spacing

5 工程應用效果分析

高河能源現階段以雙U型通風系統為主，礦井供風壓力大，生產過程中工作面安全管理比較混亂，上隅角瓦斯偶爾超限。根據現場情況，結合數值模擬結果，對3#煤層進行Y型通風系統和走向高抽巷聯合布置。由于W4301工作面與W1309工作面是相鄰工作面，且地質條件相差不大，依據工程類比法，現對W4301工作面進行布置，具體如下：①采用兩進一回的Y型通風系統配合走向高抽巷，工作面沿傾向布置、走向開采，長200 m，寬5 m，采高3.5 m，放高2.89 m；②膠帶順槽和回風順槽均寬4 m，高3.5 m，分別配風2 200 m3/min和1 050 m3/min(配風比2.09∶1)；③高抽巷斷面為矩形，寬3 m，高3 m，沿工作面走向布置，距煤層頂板垂距為30 m，與回風順槽的平距為25 m，抽采負壓為6 kPa。

W4301綜放面開采后，現場監測數據表明：W4301綜放面的瓦斯涌出量平均為29.18 m3/min，高抽巷瓦斯抽采純量平均為17.41 m3/min，占瓦斯涌出量的59.7%，抽采瓦斯濃度平均為7.63%，可以看出，現場實測數據與數值模擬結果基本吻合，其中相對誤差為6.23%，未超過工程誤差的允許范圍，這說明了數值模擬方法對指導高抽巷的布置具有重要意義。

統計分析高抽巷抽采期間上隅角日均瓦斯濃度和高抽巷抽采瓦斯濃度，得到瓦斯抽采濃度隨時間的變化曲線如圖9所示，可以看出，隨著高抽巷抽采時間的增加，高抽巷抽采瓦斯濃度逐漸增加，最大可達8.20%，而上隅角瓦斯濃度明顯降低，平均0.52%，最低0.41%，滿足《煤礦安全規程》安全管理要求。

圖9 瓦斯濃度隨時間的變化曲線Fig.9 Curve of gas concentration change with time

通過在W4301綜放面的試驗，在目前高河礦區普遍應用雙U型通風系統不能有效解決瓦斯超限的情況下，在深部高瓦斯煤層工作面進行“Y+高抽巷”聯合布置，可為高河礦區甚至潞安礦區開采高瓦斯煤層提供一種新思路。

6 結 論

1) 在工作面瓦斯治理方面，Y型通風系統與走向高抽巷的聯合布置，可以很好地解決工作面瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯超限等問題；同時，Y型通風系統減少了工作面順槽及橫貫的施工，有效緩解了礦井的采掘銜接緊張，降低了工作面通風管理難度，保障了礦井的安全高效生產。

2) 利用FLAC3D數值軟件模擬工作面覆巖裂隙發育高度，分析得出W1309綜放面冒落帶最大高度為18 m，裂隙帶最大高度為60 m。并結合FLUENT數值模擬結果，在Y型通風主副進風巷的配風比為2.09∶1時，高抽巷布置于距回風順槽平距25 m，距工作面頂板垂距為30 m的裂隙帶中，對工作面上隅角及采空區瓦斯治理效果最好，且抽采效果最佳。

3) 結合W1309綜放面實際情況，并根據數值模擬提供的參數指導，在W4301綜放面聯合布置Y型通風系統和走向高抽巷，通過現場實測數據分析，高抽巷抽采純量平均為17.41 m3/min，占瓦斯涌出量59.7%，抽采瓦斯濃度平均為7.63%，最高8.2%；上隅角瓦斯濃度平均0.52%，現場應用效果驗證了數值模擬的計算結果，研究表明：“Y+高抽巷”瓦斯防控模式能夠治理高瓦斯礦井回采工作面上隅角瓦斯超限難題。