煤矿综采工作面高抽巷通风技术的研究

曲来有

(阳泉煤业(集团)平定裕泰煤业有限公司，山西 阳泉 045200)

引言

不同煤层地质赋存条件的差异，导致相应瓦斯气体含量差别较大。在未开采情况下，尽管煤层内的瓦斯气体压力可达十几兆帕，但由于地层结构和压力稳定，瓦斯状态比较稳定，主要以吸附或游离状态广泛存在。在煤矿开采过程中，巷道掘进、工作面回采、顶板垮落等会引起较大的岩层结构变化，原有的压力平衡状态被打破。瓦斯气体在岩层和巷道内发生由高密度区向低密度区、由高压区向低压区的自发性扩散。回采过程不断形成的采动裂隙导致瓦斯溢出、浓度升高，因此工作面容易发生瓦斯聚集，对煤矿安全生产造成较大的影响。

1 工作面概括

裕泰煤矿可供开采煤炭总量61.11Mt，主要开采煤层为3#、9#和15#。煤矿15104综采工作面位于一采区，主要开采15#煤层，这种煤的特点是上层大部分是半亮型煤，而下半部分则夹有暗煤，半亮型煤的煤质较好。下图1为煤层底板的情况表。

表1 煤层顶底板情况表

此煤层的工作面方向呈现南北走向，并向西倾斜，可采煤的位置也有明确限定，走向长度为640m，倾斜长度175m，倾斜角度为8°至14°。煤层顶底板分为老顶、直接顶、直接底和老底，不同顶底板的岩石类型以及厚度也不一样。以15104工作面举例，它位于一采区西南翼，北部为15102工作面(已采)，东部为15103工作面(已掘)，南部为15106工作面(未掘)，西部为隔矿界煤柱与山西东升阳胜煤业有限公司向望，东南部为公司15105工作面(未掘)。15104工作面走向长度为141m，倾斜长度为641m，开采煤层为15#煤，煤层平均厚度为5.31m，平均倾角4°，15104工作面回风顺槽沿煤层底板掘进，掘进宽度×高度=4.3m×2.7m，工作面采用U型通风方式。

2 U型通风方式的弊端

煤矿后退式采煤工作面通风方式，U型通风方式为图1所示，通过一条进风巷和一条回风巷形成一种通风方式。一般情况下，风流可以顺利流动，为工作面提供足够的空气，在空气流通的过程中将瓦斯气体一并带出，极大的减轻了工作面的瓦斯气体。这种U型通风方式简单方便，建设成本低，并且维修费用低。但是，这种通风方式适用于瓦斯没有太大风险的矿井。U型通风方式也有不足，第一，外面的新鲜空气通过进风巷进入工作面中，如果遇到采空区的环境没有压实，便会导致一部分空气进入采空区，采空区的空气将瓦斯气体压迫至回风方向，瓦斯气体会通过回风巷涌出，导致回风上隅角瓦斯气体浓度积聚升高；第二，U型通风方式会降低工作面隅角的气压，导致大部分的瓦斯都聚集在此处，引起瓦斯气体浓度较高。因此，要根据实际情况选择合适的通风方式。

图1 U型通风方式

3 高抽巷位置参数计算

3.1 高抽巷瓦斯抽采原理

在对煤层进行开采后，随着采空区面积的逐步增大，采空区的顶板也随着工作面的推进逐渐下沉垮落，在生产过程中会出现定期的下沉垮落。由于各煤层的岩石类型不一样，所以硬度、支撑力都会影响下沉垮落的顺序。从图2可以看出，接近采空区的岩石，通过各种综合作用，引起相互碰撞导致垮落，形成垮落区。而在垮落区的上方，是裂隙区，在这一层发生裂缝，无法抵挡破坏，继续将底下的垮落区压陷。再上一层，是离层区，它受拉力影响，发生断层，但是离层区对于裂隙区的影响并不大。由此可见，在垮落区的瓦斯气体通过层层压迫，不断上升至裂隙区和离层区，这样很容易造成局部位置瓦斯气体过剩。

图2 采空区内瓦斯聚集原理

根据这种现象，可以在顶板上部合适位置布置高抽巷。高抽巷正是利用了上述采空区瓦斯在裂隙带聚集特性，在回采过程中，利用岩石缝隙，将瓦斯气体沿裂隙抽离工作面至地面。由此可见，高抽巷的合理布置位置是在裂缝区，可以及时将瓦斯气体利用抽采系统抽出至地面，避免工作面采空区瓦斯积聚出现瓦斯浓度过大，引发危险。

3.2 高抽巷位置数据的确定

在煤矿综采过程中，确定高抽巷的位置是非常重要的，只有合理部置高抽巷，才能保证发挥最大的作用，高抽巷的位置计算包括垂直距离和水平距离。在确定垂直距离时，应对上覆岩层的类型、硬度和瓦斯的聚集情况做好分析，距离过大和过小都将影响抽采效果。

3.2.1 纵向距离

依据高抽巷瓦斯抽采原理知道，高抽巷应布置在顶板裂隙区的中间位置，在这一区域，瓦斯气体比较容易汇集，并且岩石还没有遭到较大的破坏，对于高抽巷发挥抽采作用极佳。具体公式如下：

Hm

式中：Hm为冒落带高度；Hl为离层区高度。

Hm和Hl可通过经验公式进行计算。

3.2.2 与回风巷的水平距离

在采空区，由于各层垮落影响，岩石遭到很大破坏，根据这一现象，巷道布置要尽量位于已充分卸压的裂隙带内。根据相关数据，得出以下公式：

式中：β为顶板岩石的卸压角，取β=65°。

4 高抽巷对瓦斯分布的影响分析

4.1 系统建模

本文主要介绍的是U型通风方式。根据各种经验与技术的进步，通过FLUENT 软件对通风巷道进行模拟，巷道的相关数据前文已经介绍过了。除此之外，要考虑到采空区的各种岩石特征，不同特征的岩石对于垮落影响也不同。

4.2 U型通风方式模拟结果

图3 U型通风方式瓦斯浓度分布图

在图片3中介绍的是U型通风方式的瓦斯浓度图。由图所示，如果没有在工作面上部合适位置布置高抽巷的话，采空区的瓦斯气体会随着空气从回风口流出，由于回风隅角涡流的存在，容易出现瓦斯聚集和浓度偏高的情况。根据数据显示，瓦斯气体浓度可达到0.6%至0.8%，如果瓦斯浓度过高，则会引起危险。

4.3 加强高抽巷模拟效果

根据图片4增强高抽巷瓦斯的浓度变化图显示，高抽巷越高，相对应的回风巷瓦斯浓度越低，主要是由于采空区布置高抽巷后，可以及时的将瓦斯气体通过高抽巷排出，以防在工作面隅角形成大量的瓦斯气体积聚。

图4 增强高抽巷瓦斯的浓度变化图

结束语

在煤矿综采工作中，安全是首要工作，因此，在一些矿井工作面中，要根据实际情况采用U型通风方式，适当情况还要布置高抽巷，并仔细计算其布置位置，有效的解决隅角瓦斯气体聚集浓度高问题，保证煤矿开采的顺利进行。