張 毅

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

0 引 言

隨著煤層地質(zhì)賦存條件的差異，相應(yīng)瓦斯氣體含量差別較大，在未開采情況下，盡管煤層內(nèi)的瓦斯氣體壓力可達十幾兆帕，但由于地層結(jié)構(gòu)和壓力穩(wěn)定，因此瓦斯狀態(tài)比較穩(wěn)定，主要以吸附或游離狀態(tài)廣泛存在。采煤過程中，巷道掘進、工作面回采、頂板垮落等都會引起較大的巖層結(jié)構(gòu)變化，原有的壓力平衡狀態(tài)失穩(wěn)，瓦斯氣體在巖層和巷道內(nèi)發(fā)生由高密度區(qū)向低密度區(qū)、由高壓區(qū)向低壓區(qū)的自發(fā)性擴散?；夭蛇^程不斷形成的工作面周邊的巖層結(jié)構(gòu)變化最大，因此工作面容易發(fā)生瓦斯聚集，對煤礦安全生產(chǎn)造成較大影響[1-3]。

實踐表明，合理的巷道通風(fēng)布置可有效降低局部區(qū)域的瓦斯聚集，且為生產(chǎn)活動不斷提供新鮮風(fēng)流，因此井下通風(fēng)設(shè)計對于煤礦安全生產(chǎn)尤為重要。本文所研究綜采工作面采用傳統(tǒng)的U型通風(fēng)方式，基本可滿足生產(chǎn)需求，但仍存在回風(fēng)隅角瓦斯?jié)舛绕叩葐栴}，為進一步提高生產(chǎn)過程的安全性和穩(wěn)定性，本文將對“U型通風(fēng)+高抽巷”通風(fēng)方式的效果和巷道參數(shù)等進行研究。

1 工作面概括

晉興能源有限公司位于山西省呂梁市，礦區(qū)可采煤炭儲量1413Mt，主采8#和13#煤層。23107綜采工作面位于+640m水平21采區(qū)，主采13#煤層，煤層厚度12.10～16.08m，上部為半亮型煤，下部暗煤增多，煤層一般含1～3層夾矸，多為炭質(zhì)泥巖，層厚0.10～0.65m，煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

工作面整體為一走向近南北傾向西的單斜構(gòu)造，可采走向長度3400m，傾斜長度242.4m，傾角7.9°～9.6°。23107工作面位于21采區(qū)回風(fēng)上山北側(cè)，西側(cè)、北側(cè)為實煤區(qū)，東北側(cè)為原斜溝煤礦舊礦13號煤采空區(qū)，上部為8號煤層18103、18105、18117采空區(qū)，上部東側(cè)為18101、18115采空區(qū)和原斜溝煤礦8號煤采空區(qū)。23107工作面采高為3.6m，有效控頂距為6.5m，長度260m；采用U型通風(fēng)方式，兩側(cè)進風(fēng)巷和回風(fēng)巷斷面尺寸為3.5m×5m；后側(cè)采空區(qū)走向長度300m，傾向長度260m。

2 U型通風(fēng)方式的缺點

一般情況下，U型通風(fēng)方式（見圖1）以材料巷為進風(fēng)通道，皮帶巷為回風(fēng)通道，風(fēng)流較為穩(wěn)定，可源源不斷為工作面提供新鮮空氣，并將瓦斯氣體帶出。對于沒有瓦斯突出風(fēng)險的礦井，U型通風(fēng)方式以其較低的施工和維護成本優(yōu)勢，被各大礦井廣泛采用，有效控制了井下工作面的瓦斯?jié)舛取５@種通風(fēng)方式也有以下兩方面缺點：①新鮮空氣從進風(fēng)巷進入工作面后，部分風(fēng)流漏入未壓實的采空區(qū)，并將其中富集的瓦斯氣體運移至工作面另一端，從回風(fēng)巷端部排出，導(dǎo)致該位置的瓦斯?jié)舛壬撸虎趯嵺`表明，該種通風(fēng)方式將在回風(fēng)巷上隅角造成局部渦流，加劇了該位置的瓦斯聚集[4-6]。因此，U型通風(fēng)方式在實踐生產(chǎn)中需對回風(fēng)隅角的瓦斯?jié)舛冗M行有效的監(jiān)測和控制。

圖1 U型通風(fēng)方式

3 高抽巷位置參數(shù)計算

3.1 高抽巷瓦斯抽采原理

煤層回采后，采空區(qū)上覆巖層失去支撐，發(fā)生周期性的大規(guī)?？迓?，由于各部分巖層應(yīng)力不同，所以垮落過程從下向上存在滯后性。如圖2所示，靠近采空區(qū)斷面的巖體，在拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力綜合作用下，發(fā)生不規(guī)則的斷裂和垮落，為主要垮落區(qū)；在其上部的巖體，為裂隙區(qū)，剪切力減弱，但仍發(fā)生斷裂破壞，并將已垮落的底部巖層壓實；再往上的巖體，為離層區(qū)，主要受拉應(yīng)力作用，發(fā)生離層斷裂，碎裂程度低，對裂隙區(qū)巖層的壓力作用較弱。因此，底部垮落區(qū)內(nèi)被壓實巖層內(nèi)的瓦斯氣體被擠壓進入上部裂隙區(qū)和離層區(qū)，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)局部瓦斯聚集現(xiàn)象[7-10]。

圖2 采空區(qū)內(nèi)瓦斯聚集原理

在頂板上部設(shè)置高抽巷正是利用了上述的采空區(qū)瓦斯聚集特性，回采過程中，采空區(qū)周邊巖層裂隙快速發(fā)育，其中的瓦斯氣體沿裂隙運移至采空區(qū)，尤其是上層的裂隙區(qū)。因此，高抽巷應(yīng)設(shè)置在裂隙區(qū)內(nèi)，將采空區(qū)內(nèi)的高濃度瓦斯抽出。

3.2 高抽巷位置參數(shù)計算

高抽巷的位置參數(shù)包括垂直高度和與回風(fēng)巷的垂直水平距離：在垂直高度計算時，應(yīng)考慮瓦斯的聚集位置和周邊巖層的穩(wěn)定性，距離過大和過小都將影響抽采效果；在水平距離計算時，應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗公式，避免距離過小造成的抽采巷圍巖裂隙增多，密封性變差，抽采能力降低。具體計算過程如下：

3.2.1 垂直高度

根據(jù)3.1分析可知，高抽巷的垂直位置應(yīng)在頂板裂隙帶的中部，該位置的瓦斯聚集較為明顯，且圍巖完整性較好，不會再回采過程中發(fā)生垮落和堵塞，因此，高抽巷的垂直高度應(yīng)滿足以下公式：

式中：Hm為冒落帶高度；Hl為離層區(qū)高度。

Hm和 Hl的經(jīng)驗計算公式如式（2）、（3），該公式適用于采高小于3m的工況，且計算值與實際測量值較為接近，而當(dāng)采高大于3m時，需要對兩公式的計算值進行修正，修正系數(shù)約為1.3-1.5。

本文所研究工作面的采高M為3.6m，據(jù)此可得：

由此可知，裂隙帶高度約在26.4～66.1m之間，則高抽巷的垂直高度HZ最終選擇為46至50m。

3.2.2 與回風(fēng)巷的水平距離

采空區(qū)圍巖壓力較大，為避免過大壓力對高抽巷的破壞，其水平位置應(yīng)盡量位于已充分卸壓的裂隙帶內(nèi)。同時，還應(yīng)充分考慮工作面通風(fēng)負壓對采場瓦斯運移的影響，防止瓦斯氣體向回風(fēng)巷的聚集。根據(jù)以往經(jīng)驗，高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離S應(yīng)滿足以下關(guān)系：

式中：β為頂板巖石的卸壓角，取β=65°。

由式（4）計算可知，高抽巷與回風(fēng)巷的水平距離S為21.5m至23.3m；

4 高抽巷對瓦斯分布的影響分析

4.1 系統(tǒng)建模

以本文所研究綜采工作面一進一回的U型通風(fēng)方式為例，經(jīng)過結(jié)構(gòu)簡化后，在FLUENT軟件中建立其通風(fēng)巷道模型，巷道參數(shù)按第1節(jié)概況所述。另外，需假設(shè)采空區(qū)垮落巖石為非均勻多孔介質(zhì)，冒落帶孔隙率為0.25，裂隙帶的孔隙率為0.1。另外，忽略通道內(nèi)各種機械設(shè)備對氣流的影響。

4.2 U型通風(fēng)方式模擬結(jié)果

圖3 U型通風(fēng)方式瓦斯?jié)舛确植紙D

圖3 為U型通風(fēng)方式瓦斯?jié)舛确植紙D，可以看出，在沒有高抽巷的情況下，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯氣體隨風(fēng)流在回風(fēng)巷口聚集并排出，但由于回風(fēng)隅角渦流的存在，該位置的瓦斯?jié)舛炔灰卓刂疲菀壮霈F(xiàn)瓦斯聚集和偏高的情況，模擬發(fā)現(xiàn)，在靠近巷口位置的最高瓦斯?jié)舛瓤蛇_0.6%左右，低于停工臨界濃度0.8%。但當(dāng)開采至瓦斯富集濃度較高的煤層時，仍可能出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸?，并觸發(fā)報警。

4.3 增加高抽巷后模擬結(jié)果

圖4為增加高抽巷后的瓦斯?jié)舛确植紙D，相比單純的U型通風(fēng)，采空區(qū)的瓦斯分布變化較小，但在靠近回風(fēng)巷口一側(cè)，由于增加了高抽巷，使部分采空區(qū)瓦斯由高抽巷排除，因此避免了大量采空區(qū)瓦斯在回風(fēng)巷上隅角的聚集，該區(qū)域的瓦斯?jié)舛冉档椭?.2%左右。

圖4 增加高抽巷后瓦斯?jié)舛确植紙D

5 結(jié) 論

通過以上研究可知，對于中低瓦斯風(fēng)險的礦井工作面，在U型通風(fēng)方式基礎(chǔ)上增加高抽巷，并對其層位進行合理計算和設(shè)置，可有效避免回風(fēng)隅角瓦斯聚集，保障生產(chǎn)安全性和工作面瓦斯?jié)舛瓤刂频姆€(wěn)定性。