耿 丹

（山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030012）

井下瓦斯問題對煤礦安全構(gòu)成了重大威脅，一旦瓦斯含量超標(biāo)可能降低煤礦的開采效率，危及井下人員生命安全。不同煤層瓦斯含量有差異，采取的瓦斯治理方式也不同。對于井下瓦斯超標(biāo)的解決方式一般采用采前預(yù)抽、邊抽邊采、U型通風(fēng)，但隨著開采深度的增加，井下瓦斯問題更加復(fù)雜，隅角瓦斯含量超標(biāo)問題經(jīng)常發(fā)生，增加了開采難度，因此有必要對瓦斯含量高的區(qū)域進(jìn)行研究，設(shè)計更加適用的通風(fēng)系統(tǒng)。采用Y型通風(fēng)方式的瓦斯治理技術(shù)以其優(yōu)越的效果逐漸被廣泛應(yīng)用，但仍然存在局部瓦斯超標(biāo)現(xiàn)象.因此,有必要對此通風(fēng)方式進(jìn)行分析，確定合理的設(shè)計參數(shù)，以此提高瓦斯治理水平。

1 3110工作面通風(fēng)系統(tǒng)的模擬分析

以太原東山煤礦3110工作面的實(shí)際情況為例，采用兩進(jìn)一回的Y型通風(fēng)方式，通過建立實(shí)際模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。3110工作面原煤瓦斯的最高值為15.35m3/t，透氣指數(shù)為0.019m2/MPa·d，煤層傾角平均5°，煤層厚度平均2.85m。將工作面、采空區(qū)等開采區(qū)域視作長方體，忽略彎曲下沉影響，設(shè)定采空區(qū)和主副進(jìn)風(fēng)巷道參數(shù)。根據(jù)瓦斯涌出量相應(yīng)計算方法，計算出垮落帶和裂隙帶的瓦斯涌出量分別為35.33m3/min和15.09m3/min，進(jìn)而確定相應(yīng)瓦斯總源相。根據(jù)理論分析的滲透率參數(shù)可計算出采空區(qū)各分區(qū)的粘性阻力系數(shù)。設(shè)置模型各項參數(shù)，通過數(shù)值模擬分析方法來研究Y型通風(fēng)方式下的采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律，如圖1所示，分別對工作面水平方向、寬度方向及垂直方向進(jìn)行分析。

由分析結(jié)果可以得出，在工作面推進(jìn)方向上瓦斯?jié)舛入S進(jìn)深增加不斷增大，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定深度時瓦斯?jié)舛戎饾u穩(wěn)定，為最高濃度；垂直方向上，底板瓦斯?jié)舛鹊陀陧攲油咚節(jié)舛?，邊緣處基本保持穩(wěn)定的高、低濃度，中間部分從下向上呈逐漸上升趨勢；寬度方向上進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)濃度差別大，上隅角瓦斯?jié)舛鹊脱乜樟粝锍涮铙w處存在瓦斯堆積現(xiàn)象，有必要進(jìn)行埋管抽放以及高位鉆孔的瓦斯解決方式。

圖1 3110工作面采空區(qū)平面圖

2 瓦斯綜合治理系統(tǒng)設(shè)計

3110工作面以開采3號煤層為主，瓦斯60%以上來自采空區(qū)，應(yīng)進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采。在工作面進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行順層鉆孔處理，未開采先預(yù)抽。使用Y型通風(fēng)方式，工作面兩側(cè)進(jìn)風(fēng)，避免了隅角瓦斯積聚現(xiàn)象發(fā)生，上層積聚瓦斯可通過抽采方式排出。頂板部位采用鉆孔方式預(yù)抽瓦斯，間距20m，采空區(qū)通過埋管抽采方式進(jìn)行，間距15m。

2.1 鉆孔參數(shù)的研究

抽放負(fù)壓、時間、孔距都對瓦斯的抽放效果影響重大，因此應(yīng)對其進(jìn)行數(shù)值分析，通過對比不同的理論參數(shù)確定最優(yōu)鉆孔排放方案。

（1）抽放負(fù)壓

分別取負(fù)壓20kPa到負(fù)壓40kPa的三個抽放負(fù)壓參數(shù)進(jìn)行模擬實(shí)驗，得出瓦斯流量隨時間變化情況如圖2所示。

圖2 抽放負(fù)壓影響的瓦斯流量

由圖2可以看出，提高抽放負(fù)壓的方法可以提升瓦斯抽放水平，但對系統(tǒng)要求更高，因此綜合考慮抽放負(fù)壓可選為負(fù)壓20kPa到負(fù)壓30kPa。

（2）鉆孔直徑的選取

取不同直徑的鉆孔來進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖3所示。

圖3 孔徑影響的瓦斯流量

由圖3可以看出，大孔徑可明顯提高鉆孔抽取瓦斯的流量，可將孔徑取為120mm。

（3）抽放時間影響

取不同抽放時間進(jìn)行模擬，得出不同抽放時間對鉆孔瓦斯流量的影響如圖4所示。

圖4 抽放時間影響的瓦斯流量

由圖4可以看出，抽放瓦斯流量隨抽放時間的增加呈指數(shù)下降并最終趨向穩(wěn)定。

（4）鉆孔間距的選取

利用 fluent軟件模擬不同的孔距對瓦斯抽放效果的影響，模擬結(jié)果顯示的瓦斯壓力如圖5所示。

圖5 不同孔距影響的瓦斯壓力分布

如圖5可以看出，孔距增大后瓦斯壓力也隨著增大，孔距2m時最大壓力0.74MPa超出了要求的抽采壓力，所以合理的鉆孔距離應(yīng)設(shè)置為1m。

2.2 Y型通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)的研究

分別取不同的主、副進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)比例（K=2：1、K=3：1、K=4：1）進(jìn)行模擬，結(jié)果如下：主、副進(jìn)風(fēng)量配比不同時，比例越大上隅角渦流越小，進(jìn)風(fēng)量配比小時容易造成大渦流使得瓦斯積聚，配合相應(yīng)經(jīng)驗公式可得出配風(fēng)比為3：1時瓦斯排出效果最好。

3 結(jié)論

本文針對煤礦井下瓦斯超標(biāo)問題，對瓦斯分布及煤礦通風(fēng)方式進(jìn)行了研究，建立了太原東山煤礦3110工作面通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際模型，對其通風(fēng)情況進(jìn)行了模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果確定了瓦斯治理方法。對不同的抽放負(fù)壓、鉆孔直徑、鉆孔距離以及主副通風(fēng)量配比進(jìn)行了模擬分析，確定了合理的通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，提高了瓦斯治理水平，為煤礦瓦斯治理技術(shù)的提升提供了理論依據(jù)。