Y型通风工作面瓦斯浓度分布规律及综合治理技术研究_翟国华.pdf

Y型通风工作面瓦斯浓度分布规律及综合治理技术研究 翟 国 华 （霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司 ， 山西 方山 033100 ） 摘要 本文以新元矿 3107 工作面为工程背景，采用数值计算软件对 Y 型通风情况下瓦斯运移规 律进行研究， 可知在沿空留巷密闭墙及其上部空间内有瓦斯积聚现象产生， 基于此提出了采前钻孔 进行瓦斯抽采、 高位钻孔瓦斯抽采及采空区埋管抽放瓦斯的综合治理措施， 现场应用效果表明， 工作 面回采过程中上隅角、 采空区、 回风流中瓦斯含量均实现明显降低， 实现了工作面安全高效回采及矿 井安全。 关键词 综采 ； Y型通风 ； 瓦斯浓度分布特征 ； 瓦斯治理 中图分类号 TD712.6文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0033- 04 Study on gas concentration distribution law and gas control technology under Y-type ventilation system in fully mechanized mining face ZHAI Guohua （Huozhou Coal Power Group Co., Ltd., Huozhou Coal and ElectricityGroup , Fangshan 033100 , China ） Abstract Abstract In this paper, the working surface of the NewDollar Mine 3107 is the engineering background, the use of numerical cal- culation software to study the lawof gas transport under Y- type ventilation, it can be seen that there is gas accumulation in the closed wall a- long the empty lane and its upper space, based on this proposed pre- drilling for gas extraction, The comprehensive management measures of high- bore gas extraction and extraction ofburied pipe discharge gas in the high- bore gas extraction area showthat the gas content in the upper angle, the hollowing area and the backwind flowof the working surface is significantly reduced, and the safety of the work surface is realized and the mine safetyis realized. Key words Integrated mechanized coal mining； Y- type ventilation ； Gas concentration distribution characteristics ； Gas control 1工程概况 图 13107 工作面示意图 阳煤集团新元矿为煤与瓦斯突出矿井， 其绝对 瓦斯涌出量为 196.727m2/min，相对瓦斯涌出量为 43.27m3/t。本次研究对象为 3107 工作面， 其西侧为 3106 工作面采空区，工作面主采 3 号煤层， 3 号煤 层均厚 2.64m， 平均倾角 4， 属于赋存稳定的近水 平煤层，煤层上覆直接顶为厚度 3～6m 的砂质泥岩 为主， 基本定以厚度为 2～3m 的中粒粉砂岩为主， 下 覆底板岩层为砂质泥岩， 其平均厚度为 2.98m。 3107 工作面各巷道均为沿顶掘进巷道， 采用 Y 型通风方 式， 进风巷和辅助进风巷为进风巷道， 辅助进风巷采 用沿空留巷技术， 随采随保留， 污风沿辅助进风巷留 巷进入回风巷回风， 其采掘工程平面图如图 1 所示。 2Y 型通风系统下采空区瓦斯分布特征 2.1模型建立 根据新元矿 3107 工作面上覆岩层的物理力学 参数， 同时借鉴类似矿井经验[1]， 通过 Fluent 软件建 立 3107 综采工作面 Y 型通风系统模型，来研究本 工作面在 Y 型通风系统下的采空区瓦斯分布特征。 在模型中将各种巷道简化为长方体， 工作面长度取 240m，采空区走向长度为 350m，高度为煤层厚度 2.64m； 主、 副进风巷和回风巷高度均为 3m， 宽度取 5m、 4.8m、 4.2m， 巷道长度 20m； 沿空留巷高度和宽 度分别为 3m 和 5.2m， 长度取 350m； 工作面上方垮 落带和裂隙带的高度分别为 10m 和 26m。在模拟中 压力为指向 z 轴负方向的一个大气压， 9.8m/s2。主、 副进风巷的入口边界条件设置为 2.30m/s、 0.69m/s 的速度入口， 进风风流由 0.79 的氮气和 0.1 的氧气 组成； 回风巷出口边界条件设置为自由流出。 2.2数值模拟结果分析 如图 2 为沿工作面推进方向在 x 轴上， x10m、 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 33 ChaoXing 40m、 100m、 200m 时截取采空区的瓦斯浓度分布竖 直截图。 图 2沿工作面推进方向 x10m、 40m、 100m、 200m 时 采空区瓦斯浓度分布规律 观察图 2 发现，随着采空区深度的不断增加， 瓦斯浓度也不断增加， 当采空区深度达到一定距离 时， 瓦斯浓度增速缓慢并趋于稳定。在采空区距工 作面 0～30m 范围内，由于受工作面进风流影响， 该 范围内瓦斯浓度较低， 约 5， 且变化不明显， 回风 巷一侧的瓦斯浓度仅为 0.5左右； 在采空区距工作 面 30～200m 范围内，随着距工作面距离的增加， 采 空区瓦斯浓度迅速升高， 并且回风巷一侧的瓦斯浓 度也迅速上升；在采空区距工作面 200m 以外的范 围内， 随着距工作面距离的增加， 采空区瓦斯浓度 达到最大值并趋于稳定。 （a） y20m 时 （b） y120m 时 （c） y220m 时 图 3沿工作面不同宽度时采空区瓦斯浓度分布规律 图 3 所 示 为 沿 工 作 面 不 同 宽 度 y20m， y120m， y220m 时采空区瓦斯浓度分布规律。观察 图 3 可发现， 随着沿工作面宽度方向距离的不断增 加， 瓦斯浓度迅速增大。且回风侧瓦斯浓度远大于 进风侧瓦斯浓度， 这是由于 Y 型通风系统和沿空留 巷的密闭使大量的瓦斯在通风压力的作用下， 积聚 在沿空留巷密闭处及上部区域所致。虽然这样的方 式可以有效降低上隅角瓦斯浓度， 但是会使大量的 瓦斯在采空区积聚造成安全隐患， 因此需要采用高 位钻孔抽放和采空区埋管抽放瓦斯的方法来接触 该安全隐患。 （a） z0m 时 （b） z2.5m 时 （c） z8m 时 （d） z20m 时 图 4距底板不同高度时采空区瓦斯浓度分布规律 图 4 为距底板不同高度 z0m， z2.5m， z8m， z20m 时采空区瓦斯浓度的分布规律。观察图 4 发 现， 随着距底板高度的不断增加， 瓦斯浓度总体上 呈增大趋势。顶板附近的瓦斯浓度大于底板附近的 瓦斯浓度。 在距底板 0～10m 范围内， 瓦斯浓度较低； 在距底板 10～20m 范围内， 由于到达覆岩裂隙带， 所 以随着高度的增加瓦斯浓度迅速升高；在距底板 20m 以上的范围内， 裂隙逐渐减少， 瓦斯浓度增幅 变小， 并趋于稳定。 综上所述， 当工作面由原来的 U 型通风改为 Y 型通风方式时， 可以有效缓解工作面上隅角瓦斯浓 度过高问题， 然而有新的问题产生， 即在沿空留巷 密闭墙及其上部空间内有瓦斯积聚现象产生， 对工 作面安全生产造成很大威胁， 基于上述分析， 采取 本煤层抽采、 高位钻孔抽放与采空区埋管抽放相结 合的方式来对留巷内瓦斯进行治理。 3瓦斯综合治理技术[2-3] 3.1采前本煤层钻孔进行瓦斯抽采 沿 3107 进风巷和 3107 辅助进风巷全长布置本 煤层瓦斯抽采钻孔， 钻孔间距按 1m 计， 钻孔直径取 120mm， 钻孔深度取 130m， 两巷内的钻孔形成重叠 交叉， 重叠交叉长度为 20m， 累计共布置 1500 个钻 孔，通过布置本煤层钻孔对工作面瓦斯进行预抽， 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 34 ChaoXing 以降低工作面回采过程中的瓦斯涌出量， 具体如图 5 所示。 图 5本煤层钻孔预抽瓦斯 3.2高位钻孔瓦斯抽采[4] 高位瓦斯抽采钻孔沿 3107 回风巷进行布置， 每组分高、 低位孔各一个， 高位孔长度为 43m、 倾角 为 42.2， 低位孔长度为 43.6m、 倾角为 25.5， 各 组钻孔间的孔间距为 15m。由相关资料可知， 3107 工作面上覆岩层裂隙带发育高度为 10～330m，因此 高位瓦斯抽采钻孔的终孔垂直高度不应低于 30m， 同时考虑工作面回采而产生的卸压角， 瓦斯抽采转 钻孔的终孔水平距离应超过 3107 辅助进风巷 10～30m。瓦斯抽采钻孔施工可选用 ZDY- 400L 型钻 机，其钻头及钻杆直径分别为 193mm 和 73mm， 钻 孔施工如图 6 所示。 图 6高位瓦斯抽采钻孔布置示意图 3.3采空区埋管抽放瓦斯[5] 为对工作面采空区瓦斯进行治理， 参考相邻工 作面采空区瓦斯浓度分布规律，可知距离 3107 工 作面后方不同距离瓦斯浓度呈现不同的涌出规律， 大致可分为 3 个区域， 滞后回采工作面后方 0～20m 范围内瓦斯大量向后方涌出， 但该区域瓦斯浓度响 度较低；滞后回采工作面后方 20～40m 范围属于一 个过渡区域， 瓦斯浓度相对适中； 滞后回采工作面 后方 40m 范围为采空区瓦斯滞留区域， 该区域的瓦 斯浓度最高， 需要重点进行防治。因此， 为了将采空 区瓦斯安全高效采出， 在滞后回采工作面 0～80m 范 围由留巷向采空区布置瓦斯抽放管， 瓦斯抽放管埋 设于顶板下方 500mm 的密闭墙内，埋管间隔为 15m， 瓦 斯 抽 放 管 直 径 和 长 度 分 别 为 190mm、 2500mm， 其穿过密闭墙进入采空区内， 同时需要在 管口加装过滤网和排渣器， 可对破碎煤岩及粉尘起 到很好的抑制作用， 防止其进入抽放管而导致堵塞 现象的发生，采空区内瓦斯管路布置如图 7 所示。 通过布置瓦斯抽采管路数量及控制管路阀门开启 程度可有效对采空区内瓦斯进行抽采， 对采空区瓦 斯积聚有很好的控制作用。 图 7采空区埋管抽放示意图 3.4瓦斯综合治理效果 表 1三种抽放瓦斯技术的抽放效果 在 3107 工作面采用三种瓦斯抽放技术后， 通 过对现场瓦斯抽采数据的整理， 绘制如表 1 所示抽 放效果表。采前本煤层钻孔、 高位钻孔及采空区埋 管 三 种 方 法 得 到 的 平 均 瓦 斯 抽 放 量 分 别 为 3.5m3/min、 27.2m3/min、 3.13m3/min，三种方法累计瓦 斯抽放量为 33.83m3/min，瓦斯的综合抽放率为 53.3。 现场监测效果表明， 在 Y 型通风工作面采取 综合瓦斯抽采措施后， 工作面瓦斯浓度可以实现明 显降低， 浓度基本处于 0.4以下， 瓦斯抽采治理效 果明显，基本解决了工作面回采过程中上隅角、 采 空区、 回风流中瓦斯含量较高的问题， 实现了工作 面安全高效回采及矿井安全。 4结论 1）通过 Fluent 软件建立 3107 综采工作面 Y 型 通风模型， 研究本工作面在 Y 型通风系统下的采空 区瓦斯分布特征， 当工作面由原来的 U 型通风改为 Y 型通风方式时，可以有效缓解工作面上隅角瓦斯 浓度过高问题， 然而有新的问题产生， 即在沿空留 巷密闭墙及其上部空间内有瓦斯积聚现象产生， 对 工作面安全生产造成很大威胁， 需采取相关瓦斯治 理措施。 2） 通过现场实测发现在采取采前钻孔进行瓦斯 （下转第 38 页 ） 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 单孔抽放量 （m3/min ） 流量 （m3/min ） 瓦斯浓度 （ ） 瓦斯纯量 （m3/min ） 平均瓦斯纯量 （m3/min ） 采前钻孔进 行瓦斯抽采 0.00420～552.1～7.40.42～4.073.5 高位钻孔瓦 斯抽采 3～440～6055～7922.0～47.427.2 采空区埋管 抽放瓦斯 30～65 6.5～10. 8 1.95～7.023.13 35 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 宽为 9m， 掘高为 4m。 根据巷道断面及生产条件， 采用 导硐法施工[5]， 9.5m宽断面先掘 5m， 后刷 4.5m； 9m 宽 断面先掘 4.5m， 后刷 4.5m。 4.2双排点柱 为保证施工安全， 刷扩期间打设双排点柱， 排距 1.8m， 矩形布置。第一组木点柱距离巷道采帮 1.5m， 滞后工作面不能超过 25m， 第二组木点柱距离巷道非 采帮 3m，超前工作面 20m。木点柱直径不小于 250mm， 长 4.3～4.5m， 穿鞋戴帽。木鞋及木帽规格为 42023050mm。 5支护效果分析 通过顶板离层仪、 锚索压力表和巷道围岩移进量 进行监测， 根据施工完成后 3 个月的观测情况， 锚索 压力表无明显变化，顶板离层仪最大值为 15mm， 巷 道围岩变形量控制在 25mm 以内， 且逐步稳定， 支护 效果良好， 变形量情况如图 4。 图 4巷道变形情况 6结论 玉溪煤矿 1301 工作面切眼埋深在 550m 左右， 巷道断面在 36m2～38m2， 通过以工程类比法为主， 辅 以矩形巷道框型锚固结构的分析， 采用锚网索 W钢 带 钢筋梯子梁联合支护方式有效的控制了巷道围 岩变形。 针对大断面、 高地应力的特点， 施工中采用导 硐法、 双排点柱、 复合顶板检测等措施， 大大提高了顶 板管理水平， 保证了顶板管理安全， 为同类条件巷道 施工提供了借鉴经验。 参考文献 [1] 武腾飞. 受采动顶板回采巷道围岩稳定性分析及控制技 术研究[D].安徽理工大学,2015. 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