高瓦斯矿井“Y”型通风瓦斯治理系统的应用

刘利兵

（山西新景矿煤业有限责任公司防突队，山西 阳泉 045000）

0 引言

瓦斯是煤在碳化过程中产生的一种气体，在综采工作面采煤过程中，赋存于原先煤体中的瓦斯以气体的方式被释放出来，在巷道或工作面内增加到一定程度后，如果被点燃就会发生爆炸，对煤矿工人的生命健康造成了严重的影响[1]。随着开采深度的增加，煤矿事故的发生率也越来越高，特别是瓦斯爆炸事故[2-4]。在高瓦斯矿井的治理工作中，不仅需要对瓦斯进行抽采，减少瓦斯浓度，还需要提高工人的安全意识，从根源上解决问题。

新景矿作为高瓦斯矿井，瓦斯治理工作也是矿井的重点项目。矿井开采的3#煤是瓦斯突出煤层，回采面通风系统从“U+L”型发展到“Y”型，随着生产需要，本着提高通风安全、降本增效理念，继续探索和改进着回采面的通风方式。近年新景矿在3#煤回采面“沿空留巷”和“Y”型通风系统应用切实起到了瓦斯治理效果，现对实践应用进行分析。

1 工程概况

佛洼区3216 综采工作面标高517～556 m，埋藏深度为500 m，工作面走向方向长1 390 m，倾斜方向长216 m，面积为300 240 m2，煤层平均煤厚2.39 m。所采煤层原生裂隙发育，结构简单，属近水平中厚煤层，其厚度在1.86～2.95 m 左右，平均为2.40 m。

3#煤3216 综采工作面每日生产大约为4 500 t，风排瓦斯量为10.75m3/min，瓦斯抽放量为26.09m3/min，绝对瓦斯涌出总量为36.84 m3/min。3216 工作面瓦斯主要来源于本煤层工作面开采所释放的瓦斯、采空区和邻近层的瓦斯涌出，瓦斯具体参数，如表1 所示。

表1 3#煤层瓦斯基础参数表

2 “Y”型通风瓦斯治理系统

2.1 “Y”型通风系统简介

如图1 所示，新景矿所采用的通风系统为“Y”型通风系统，红色箭头代表进风，有两条一条回风。通风路线为地面新鲜空气→佛洼进风井→佛洼煤层轨道巷→二区煤层轨道巷→3216 进风巷→3216 工作面→3216 回风巷→佛洼北翼回风巷 →佛洼回风井→地面。其具体的“Y”型通风系统，如图1 所示。

图1 “Y”型通风系统

2.2 通风系统风量计算

按瓦斯涌出量计算，如式（1）～式（2）的所示：

式中：Q采工为工作面实际需要风量；q采风为工作面平均风排瓦斯量,取10.75 m3/min；Q采回为回风巷实际需要风量；KCH4为风流瓦斯涌出不均衡系数，取1.7。

由以上计算得：3216 工作面需风量为1 523 m3/min，工作面回风巷需风量为2 285 m3/min。

2.3 瓦斯治理措施

1）分别在3216 本煤层、邻近层和采空区进行钻孔预抽采。在工作面两侧分别钻孔，封孔深位于距孔口8～16 m 处，封孔段长度不小于7 m。3216 工作面、邻近层和采空区瓦斯抽采选用佛洼地面瓦斯抽采泵站负担，泵站型号为2BEC72，额定流量为500 m3/min（邻近层和采空区为600 m3/min）具体抽采路线，如图2 所示。

图2 3216 工作面、邻近层和采空区瓦斯抽采路线

2）对采空区采取防漏风措施[5]。沿空留巷支模期间，采用喷浆、喷洒快速密闭等措施对沿空留巷柔模与顶底板间，柔模与柔模间进行堵漏风处理，防止沿空留巷向采空区漏风；工作面生产期间，及时对进落山顶板采用退锚、剪网等措施，不能让采空区顶板处于悬挂状态，防止向采空区漏风；悬挂风幕以减少漏风，要求风幕能覆盖从煤帮到支架的整个断面。

3）进行瓦斯突出危险性预测。以采用钻屑法、瓦斯涌出初速度法等方法，通过判断钻屑的温度或者是煤体的温度等预测掘进巷道是否有瓦斯突出危险性。沿着工作面每隔10 m 左右布置预测钻孔，孔深一般大于3 m，对工作面采煤时进行瓦突预测。之后对工作面瓦斯突出危险性由专业检验人员检验，如果无突出危险性，则可进行安全生产。

4）建立瓦斯抽采系统，完善瓦斯抽采管理制度。为了减小瓦斯抽采的时间，让工作面尽快投入生产，可以在开切眼前一定距离布置横向和纵向钻孔，除此之外，还要合理安排抽、掘、采接替关系，按期检查瓦斯抽采装置和瓦斯浓度[6-7]，保证瓦斯抽采效果。

3 “Y”型通风方式数值模拟

3.1 数值模拟模型建立

根据新景矿工作面实际情况，走向长1 390 m，倾斜长216 m，面积为300 240 m2，煤层平均煤厚2.39 m。设定工作面尺寸为2.5 m×250 m×4 m，采空区尺寸设定为220 m×250 m×2.5 m，回风巷和两个进风巷尺寸设定为100 m×2.5 m×4 m，采用自动网格划分法得到的采空区模型图，如图3 所示，时间步长设置为1 h，具体参数如表2 所示。

图3 采空区模型图

表2 模型参数表

3.2 模拟结果分析

新景矿3216 综采工作面实际供风量为1523m3/min，将供风比a 视为1，研究当供风比减少0.25，增加0.25 和0.5 时的瓦斯体积分数，这四种情况下的瓦斯分布图，如图4 所示。当供风比减少0.25 时，瓦斯体积分数处于50%以上的增加了几乎一半以上；当供风比增加0.25 时，瓦斯体积分数降低不明显，但相比于原来的也改善了很多；当供风比增加0.5 时，瓦斯体积分数处于50%以上的区域反而增加了很多。

图4 瓦斯体积分数变化图

瓦斯体积分数随工作面倾向距离变化，如图5 所示。从图5 中可以发现，随着离进风侧越来越远，瓦斯体积分数从0 开始增加到1 左右，在距离回风巷10 m左右时，瓦斯体积分数迅速减少；红色曲线所代表的供风比为0.75 的瓦斯体积分数，离进风侧越远增加得越快；当a=1.5 时，由于采空区存在漏风使得空间中的瓦斯量增加，现有的供风条件抽采不能满足需求，采空区瓦斯体积分数甚至远超供风比为1 的瓦斯体积分数。

图5 瓦斯体积分数随进风侧距离变化

3.3 预抽瓦斯效果分析

当供风比为1.25 时，预抽瓦斯效果分析如下：

1）采煤工作面回采前煤的可解析瓦斯量应达到的指标，如表3 所示。

表3 工作面回采前可解析瓦斯量应达到的指标

3216 工作面最大可解析瓦斯含量为Wj=5.1 m3/t≤5.5 m3/t，符合规定。

2）瓦斯涌出量来源于邻近层的采煤工作面，工作面瓦斯抽采率的计算方法，如式（3）所示：

式中：ηm为工作面瓦斯抽采率；Qmc为月平均瓦斯抽采量，20.69；Qmf为当月工作面风排瓦斯量，10.75。代入数值计算得ηm=70.81%。

采煤工作面瓦斯抽采率70.81 大于应达到的指标20%到40%，完全符合标准。

3）工作面回风流中瓦斯浓度，3216 工作面回风流中平均瓦斯体积分数为0.23%，低于0.8%，符合标准。

3.4 “Y”型通风优点

新景矿作为高瓦斯矿井，其开采的3#煤是突出煤层，回采面通风系统从“U+L”型发展到“Y”型。“U+L”型的通风方式相比于“Y”型，该方式巷道布置简单巷道便于维护，由于瓦斯流场的特殊性，常造成工作面上隅角瓦斯浓度大于矿井安全标准[8]。而工作面“Y”型通风方式需要在采空区的一侧留设一条巷道，巷道的维护工作量较大但也有其优点[9]。相比“U+L”型通风Y 型通风方式有以下优点：

1）沿空留巷的巷道正好处在采空区一边，因此采空区的瓦斯会直接进入回风巷，上隅角瓦斯浓度超限的问题也改善了很多。

2）由于有两条进风巷，工作面的新鲜风流得到了很大的保证，工人的工作环境也相对较好。

3）沿空留巷，由于其处在应力降低区，因此避免了留设很宽的煤柱，从而提高了煤炭资源的利用率。

4）两条进风巷使得工作面通风风量增加，由于开采所产生的瓦斯浓度变得更小，温度也降低了很多[10]。

4 结论

通过在3216 本煤层、邻近层和采空区进行钻孔预抽采，对采空区采取防漏风措施，工作面瓦斯突出危险性预测，配合沿空留巷和采用供风比为1.25 时的工作面“Y”型通风方式，应用结果表明，新景矿3216 工作面瓦斯抽采率高达70.81%，回风流中平均瓦斯浓度仅为0.23%，工作面通风风量增加，风排瓦斯能力增强，瓦斯治理效果显著，改善了工人作业环境，保障了矿井的安全高效生产。