曲來有

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))平定裕泰煤業(yè)有限公司，山西 陽泉 045200)

引言

不同煤層地質(zhì)賦存條件的差異，導(dǎo)致相應(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(dá)十幾兆帕，但由于地層結(jié)構(gòu)和壓力穩(wěn)定，瓦斯?fàn)顟B(tài)比較穩(wěn)定，主要以吸附或游離狀態(tài)廣泛存在。在煤礦開采過程中，巷道掘進(jìn)、工作面回采、頂板垮落等會(huì)引起較大的巖層結(jié)構(gòu)變化，原有的壓力平衡狀態(tài)被打破。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(kuò)散?；夭蛇^程不斷形成的采動(dòng)裂隙導(dǎo)致瓦斯溢出、濃度升高，因此工作面容易發(fā)生瓦斯聚集，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成較大的影響。

1 工作面概括

裕泰煤礦可供開采煤炭總量61.11Mt，主要開采煤層為3#、9#和15#。煤礦15104綜采工作面位于一采區(qū)，主要開采15#煤層，這種煤的特點(diǎn)是上層大部分是半亮型煤，而下半部分則夾有暗煤，半亮型煤的煤質(zhì)較好。下圖1為煤層底板的情況表。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

此煤層的工作面方向呈現(xiàn)南北走向，并向西傾斜，可采煤的位置也有明確限定，走向長度為640m，傾斜長度175m，傾斜角度為8°至14°。煤層頂?shù)装宸譃槔享?、直接頂、直接底和老底，不同頂?shù)装宓膸r石類型以及厚度也不一樣。以15104工作面舉例，它位于一采區(qū)西南翼，北部為15102工作面(已采)，東部為15103工作面(已掘)，南部為15106工作面(未掘)，西部為隔礦界煤柱與山西東升陽勝煤業(yè)有限公司向望，東南部為公司15105工作面(未掘)。15104工作面走向長度為141m，傾斜長度為641m，開采煤層為15#煤，煤層平均厚度為5.31m，平均傾角4°，15104工作面回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，掘進(jìn)寬度×高度=4.3m×2.7m，工作面采用U型通風(fēng)方式。

2 U型通風(fēng)方式的弊端

煤礦后退式采煤工作面通風(fēng)方式，U型通風(fēng)方式為圖1所示，通過一條進(jìn)風(fēng)巷和一條回風(fēng)巷形成一種通風(fēng)方式。一般情況下，風(fēng)流可以順利流動(dòng)，為工作面提供足夠的空氣，在空氣流通的過程中將瓦斯氣體一并帶出，極大的減輕了工作面的瓦斯氣體。這種U型通風(fēng)方式簡(jiǎn)單方便，建設(shè)成本低，并且維修費(fèi)用低。但是，這種通風(fēng)方式適用于瓦斯沒有太大風(fēng)險(xiǎn)的礦井。U型通風(fēng)方式也有不足，第一，外面的新鮮空氣通過進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)入工作面中，如果遇到采空區(qū)的環(huán)境沒有壓實(shí)，便會(huì)導(dǎo)致一部分空氣進(jìn)入采空區(qū)，采空區(qū)的空氣將瓦斯氣體壓迫至回風(fēng)方向，瓦斯氣體會(huì)通過回風(fēng)巷涌出，導(dǎo)致回風(fēng)上隅角瓦斯氣體濃度積聚升高；第二，U型通風(fēng)方式會(huì)降低工作面隅角的氣壓，導(dǎo)致大部分的瓦斯都聚集在此處，引起瓦斯氣體濃度較高。因此，要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的通風(fēng)方式。

圖1 U型通風(fēng)方式

3 高抽巷位置參數(shù)計(jì)算

3.1 高抽巷瓦斯抽采原理

在對(duì)煤層進(jìn)行開采后，隨著采空區(qū)面積的逐步增大，采空區(qū)的頂板也隨著工作面的推進(jìn)逐漸下沉垮落，在生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)定期的下沉垮落。由于各煤層的巖石類型不一樣，所以硬度、支撐力都會(huì)影響下沉垮落的順序。從圖2可以看出，接近采空區(qū)的巖石，通過各種綜合作用，引起相互碰撞導(dǎo)致垮落，形成垮落區(qū)。而在垮落區(qū)的上方，是裂隙區(qū)，在這一層發(fā)生裂縫，無法抵擋破壞，繼續(xù)將底下的垮落區(qū)壓陷。再上一層，是離層區(qū)，它受拉力影響，發(fā)生斷層，但是離層區(qū)對(duì)于裂隙區(qū)的影響并不大。由此可見，在垮落區(qū)的瓦斯氣體通過層層壓迫，不斷上升至裂隙區(qū)和離層區(qū)，這樣很容易造成局部位置瓦斯氣體過剩。

圖2 采空區(qū)內(nèi)瓦斯聚集原理

根據(jù)這種現(xiàn)象，可以在頂板上部合適位置布置高抽巷。高抽巷正是利用了上述采空區(qū)瓦斯在裂隙帶聚集特性，在回采過程中，利用巖石縫隙，將瓦斯氣體沿裂隙抽離工作面至地面。由此可見，高抽巷的合理布置位置是在裂縫區(qū)，可以及時(shí)將瓦斯氣體利用抽采系統(tǒng)抽出至地面，避免工作面采空區(qū)瓦斯積聚出現(xiàn)瓦斯?jié)舛冗^大，引發(fā)危險(xiǎn)。

3.2 高抽巷位置數(shù)據(jù)的確定

在煤礦綜采過程中，確定高抽巷的位置是非常重要的，只有合理部置高抽巷，才能保證發(fā)揮最大的作用，高抽巷的位置計(jì)算包括垂直距離和水平距離。在確定垂直距離時(shí)，應(yīng)對(duì)上覆巖層的類型、硬度和瓦斯的聚集情況做好分析，距離過大和過小都將影響抽采效果。

3.2.1 縱向距離

依據(jù)高抽巷瓦斯抽采原理知道，高抽巷應(yīng)布置在頂板裂隙區(qū)的中間位置，在這一區(qū)域，瓦斯氣體比較容易匯集，并且?guī)r石還沒有遭到較大的破壞，對(duì)于高抽巷發(fā)揮抽采作用極佳。具體公式如下：

Hm

式中：Hm為冒落帶高度；Hl為離層區(qū)高度。

Hm和Hl可通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

3.2.2 與回風(fēng)巷的水平距離

在采空區(qū)，由于各層垮落影響，巖石遭到很大破壞，根據(jù)這一現(xiàn)象，巷道布置要盡量位于已充分卸壓的裂隙帶內(nèi)。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，得出以下公式：

式中：β為頂板巖石的卸壓角，取β=65°。

4 高抽巷對(duì)瓦斯分布的影響分析

4.1 系統(tǒng)建模

本文主要介紹的是U型通風(fēng)方式。根據(jù)各種經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)的進(jìn)步，通過FLUENT 軟件對(duì)通風(fēng)巷道進(jìn)行模擬，巷道的相關(guān)數(shù)據(jù)前文已經(jīng)介紹過了。除此之外，要考慮到采空區(qū)的各種巖石特征，不同特征的巖石對(duì)于垮落影響也不同。

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

在圖片3中介紹的是U型通風(fēng)方式的瓦斯?jié)舛葓D。由圖所示，如果沒有在工作面上部合適位置布置高抽巷的話，采空區(qū)的瓦斯氣體會(huì)隨著空氣從回風(fēng)口流出，由于回風(fēng)隅角渦流的存在，容易出現(xiàn)瓦斯聚集和濃度偏高的情況。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，瓦斯氣體濃度可達(dá)到0.6%至0.8%，如果瓦斯?jié)舛冗^高，則會(huì)引起危險(xiǎn)。

4.3 加強(qiáng)高抽巷模擬效果

根據(jù)圖片4增強(qiáng)高抽巷瓦斯的濃度變化圖顯示，高抽巷越高，相對(duì)應(yīng)的回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛仍降?，主要是由于采空區(qū)布置高抽巷后，可以及時(shí)的將瓦斯氣體通過高抽巷排出，以防在工作面隅角形成大量的瓦斯氣體積聚。

圖4 增強(qiáng)高抽巷瓦斯的濃度變化圖

結(jié)束語

在煤礦綜采工作中，安全是首要工作，因此，在一些礦井工作面中，要根據(jù)實(shí)際情況采用U型通風(fēng)方式，適當(dāng)情況還要布置高抽巷，并仔細(xì)計(jì)算其布置位置，有效的解決隅角瓦斯氣體聚集濃度高問題，保證煤礦開采的順利進(jìn)行。