陳孟長，武旭東，邢玉忠

(1.山西高河能源有限公司，山西 長治 047100； 2.太原理工大學安全與應(yīng)急管理工程學院，山西 太原 030024； 3.山西省煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心，山西 太原 030024)

瓦斯事故是目前煤礦開采中發(fā)生率最高，破壞程度最嚴重的礦井災(zāi)害之一[1]。近年來，隨著礦井逐漸進入深度開采范圍，瓦斯壓力和瓦斯含量愈來愈大，瓦斯預(yù)抽采效果不理想，工作面上隅角瓦斯時常超限，嚴重制約著礦井的安全高效生產(chǎn)。針對這一問題，目前的手段主要有改善通風系統(tǒng)增加工作面配風量、加大瓦斯抽采力度等。對此，國內(nèi)外學者進行了大量的研究與實踐，工作面采用U+L型、并列雙U型、W型等通風系統(tǒng)[2-5]均可以增加工作面風量，也可以控制上隅角瓦斯超限問題，但工作面U+L型和并列雙U型通風系統(tǒng)，存在回風經(jīng)過采空區(qū)的問題，W型通風系統(tǒng)并不能解決上隅角瓦斯問題；此外工作面進回風順槽多、聯(lián)絡(luò)巷多，存在采掘接替緊張的問題；同時工作面配風量的增加，也造成了礦井供風壓力增大等問題。在瓦斯抽采方面，目前主要抽采方法是鉆孔抽采和高抽巷抽采。其中，鉆孔抽采瓦斯具有施工簡單、速度快的特點[6-8]，但由于受到深部煤層透氣性差等限制，抽采效果相對較差。研究表明，對于深部高瓦斯煤層，利用高抽巷可確保采空區(qū)瓦斯高效抽采，有效治理瓦斯[9-11]。由于我國地質(zhì)條件復(fù)雜，對于不同的礦井需要進行針對性的研究，使高抽巷更好地發(fā)揮作用，保證瓦斯抽采效果。

為解決工作面上隅角瓦斯超限問題，高河礦結(jié)合自身地質(zhì)條件，工作面普遍采用雙U型通風方式，內(nèi)圈、外圈U型通風回路通過聯(lián)絡(luò)巷貫通，該通風方式在防止上隅角及回風流瓦斯超限取得了顯著效果。但是隨著礦井機械化水平的提高，開采規(guī)模和開采速度不斷提升，工作面進回風順槽及聯(lián)絡(luò)巷較多給礦井采掘銜接造成很大壓力，再加上綜放面瓦斯涌出量加大且不均衡，給礦井瓦斯治理帶來了新的難題。本文針對W1309綜放面所采用的并列雙U型通風方式的優(yōu)缺點，并結(jié)合工作面煤層頂板情況，提出在雙U型通風方式的基礎(chǔ)上改成Y型通風，并結(jié)合高抽巷對采空區(qū)瓦斯進行抽采，即“Y+高抽巷”的瓦斯防控模式。通過理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的研究方法，對采用“Y+高抽巷”的瓦斯防控模式后能否解決工作面上隅角瓦斯超限難題進行了系統(tǒng)研究，為礦井的安全生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)。

1 “Y+高抽巷”瓦斯防控模式的布置方式

1.1 工程概括

高河能源是潞安集團控股的現(xiàn)代化大型礦井，主采3#煤層，開采標高為+300～+580 m，目前開采標高為+410～+500 m，采深超過400 m,開采區(qū)域瓦斯壓力為0.14～0.61 MPa，瓦斯相對涌出量為5.8～7.7 m3/t。

W1309工作面開采煤層為3#煤層，煤層平均厚度6.39 m，采高3.5 m，放煤高度2.89 m，可采長度1 780 m，采用走向長壁、后退式低位放頂煤一次采全高全部垮落式綜合機械化采煤方法。工作面煤層頂板、底板巖層柱狀圖如圖1所示。

圖1 W1309工作面煤層頂板、底板巖層柱狀圖Fig.1 Column diagram of roof and floor rock seam in W1309 working face

1.2 工作面現(xiàn)狀及瓦斯治理效果

高河礦W1309綜放面現(xiàn)采用雙U型通風系統(tǒng)，如圖2所示，共布置4條巷道進行瓦斯治理，膠帶順槽、輔助順槽、內(nèi)U回風順槽進風、外U回風順槽回風。三進一回雙U型通風系統(tǒng)雖能解決采煤期間瓦斯涌出量大的問題，目前隨著開采規(guī)模擴大，開采速度加快，綜放面瓦斯涌出強度高且不均勻，雖加大了工作面配風量，但風排瓦斯效果不理想，回采時上隅角瓦斯偶爾發(fā)生超限事故，且礦井供風緊張，直接影響礦井的正常生產(chǎn)。 因此，開展對工作面通風系統(tǒng)及瓦斯治理措施的研究具有特殊意義。

圖2 W1309工作面布置圖Fig.2 Working face arrangement of W1309

1.3 “Y+高抽巷”瓦斯防控模式的提出

為解決W1309工作面上隅角瓦斯超限問題，實現(xiàn)礦井的集約高效生產(chǎn)，基于工作面現(xiàn)雙U型通風系統(tǒng)，提出了“Y+高抽巷”的瓦斯防控模式。Y型通風系統(tǒng)巷道采取沿空留巷，可以避免雙U型通風巷道數(shù)量多導(dǎo)致礦井采掘接替緊張的局面；另外，工作面配風量相對小可緩解礦井的供風壓力。利用高抽巷抽放采空區(qū)瓦斯，防止采空區(qū)瓦斯涌向工作面，避免上隅角瓦斯超限。

2 采動覆巖裂隙發(fā)育高度數(shù)值模擬

采用FlAC3D數(shù)值模擬軟件模擬W1309工作面采動覆巖裂隙分布特征，確定“兩帶”高度范圍。

2.1 數(shù)值模型的建立及其相關(guān)參數(shù)

根據(jù)W1309綜放面的實際情況，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，煤層傾角不大，視作近水平煤層，模型尺寸長×寬×高為300 m(X)×300 m(Y)×80.29 m(Z)，工作面沿Y=50 m開挖至Y=250 m處，開挖200 m。

計算模型采用塑性本構(gòu)模型和摩爾庫倫模型，在進行開挖計算前，設(shè)置模型的初始應(yīng)力條件，由于煤巖層埋藏于地下，為真實模擬地下應(yīng)力環(huán)境，模型底部為固定約束，4個側(cè)面約束水平運動，上部施加9.83 MPa的均布覆巖載荷。 經(jīng)整理地層狀況，高河能源3#煤層頂板、底板巖層的物理力學參數(shù)見表1。

2.2 模擬結(jié)果分析

將頂板位移發(fā)生突變位置作為裂隙帶下限，開始出現(xiàn)塑性變形或剪切破壞的巖層高度定為裂隙帶上限。如圖3所示，模擬結(jié)果表明，隨著工作面推進，覆巖裂隙的演化發(fā)育呈動態(tài)變化：當工作面推進20 m時，采空區(qū)的頂板上方3 m距離以內(nèi)巖層位移發(fā)生突變，頂板下沉量明顯大于上覆巖層的下沉量，表明此時采空區(qū)上方直接頂發(fā)生初次垮落，此時冒落帶高度約為2.8 m；裂隙帶高度約為6 m；當工作面推進到50 m時，老頂冒落，此時冒落帶高度約為6.1 m，裂隙帶高度為13.8 m；工作面繼續(xù)推進，冒落帶和裂隙帶的高度不斷增大，到工作面推進至150 m時，覆巖裂隙發(fā)育達到穩(wěn)定，這時由于垮落的巖塊不斷堆積壓實，逐漸具有較強的承載力，因此裂隙高度趨于穩(wěn)定。最終冒落帶高度約為18 m，裂隙帶高度約為60 m。

表1 頂板、底板不同巖層物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of different strata in roof and floor

3 并列雙U型通風采空區(qū)瓦斯分布數(shù)值模擬研究

3.1 W1309綜放面雙U型通風方式布置情況

W1309工作面采用三進一回雙U型通風方式，共布置4條巷道對工作面瓦斯進行治理，分別為輔助順槽、膠帶順槽、內(nèi)U回風順槽進風、外U回風順槽回風?？偱滹L量5 200 m3/min，切眼風量3 000 m3/min。正常回采期間工作面各巷道風量見表2。

3.2 雙U型通風采空區(qū)瓦斯運移數(shù)值模擬

1) 模型建立及數(shù)值模擬參數(shù)。為了數(shù)值模擬的需要，根據(jù)W1309綜放面現(xiàn)場實際情況，建立一個梯臺形模型來模擬整個采空區(qū)和工作面。其具體尺寸如下：采空區(qū)覆巖卸壓角為67°，走向長度為240 m，傾向長200 m，冒落帶加上裂隙帶的高度，為60 m，其中冒落帶高度范圍為0～18 m，裂隙帶高度范圍為18～60 m；進回風巷道斷面為4 m×3.5 m；工作面長200 m，寬5 m，高3.5 m。 模型如圖4所示。

圖3 裂隙發(fā)育高度曲線Fig.3 Roadway support section

表2 W1309綜放面各巷道配風量Table 2 Air distribution amount of various roadways in W1309 fully mechanized caving face

圖4 雙U型通風模型圖Fig.4 Double U ventilation model diagram

采空區(qū)瓦斯運移的數(shù)值模擬關(guān)鍵是瓦斯質(zhì)量源項、孔隙率及黏性阻力系數(shù)，其中，冒落帶的孔隙率和黏性阻力系數(shù)分別用UDF函數(shù)定義。根據(jù)實測數(shù)據(jù)及取值經(jīng)驗，模型中所涉及的參數(shù)見表3。

2) 邊界條件的設(shè)置。①入口邊界：進風巷設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)，以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為主，考慮到現(xiàn)場測定的誤差，進行3次實測數(shù)據(jù)取平均值，其中，膠帶順槽進風量為2 630 m3/min，輔助順槽進風量為1 420 m3/min，內(nèi)U回風順槽進風量為1 150 m3/min，配風比為2.3∶1.2∶1，且進風風流均垂直于巷道入口進入，風流中氧氣濃度為21%，瓦斯?jié)舛葹?。②出口邊界：外U回風順槽出口設(shè)置為壓力出口。③壁面邊界：工作面和高抽巷與采空區(qū)的接觸面均為交界面，冒落帶與裂隙帶交界面為內(nèi)部面，其他面均為標準狀態(tài)壁面。④求解器的選擇：求解器選擇壓力基穩(wěn)態(tài)求解，計算模型選擇標準k-ε湍流模型，采用壓力-速度耦合方式的SIMPLEC算法，其中Pressure方程選用PRESTO，該方程更適合多孔介質(zhì)的計算，在計算過程中更有助于收斂。

3) 數(shù)值模擬結(jié)果分析。 按照上面確定的參數(shù)及邊界條件對雙U型通風方式下采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律進行數(shù)值模擬，采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植既鐖D5所示。

表3 孔隙率、黏性阻力系數(shù)及源項參數(shù)表Table 3 Table of porosity,viscous resistance coefficient and source term parameters

圖5 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植糉ig.5 Gas concentration distribution in goaf

從整個采空區(qū)瓦斯的空間分布來看，采空區(qū)瓦斯分布具有明顯的特征，在縱向方向上，由于瓦斯的密度小于空氣，采空區(qū)瓦斯具有分層現(xiàn)象，裂隙帶瓦斯?jié)舛让黠@高于冒落帶瓦斯?jié)舛龋喜啃纬筛邼舛韧咚箙^(qū)域。水平方向上，靠近工作面的區(qū)域尤其是進風側(cè)漏風較大，瓦斯在漏風流作用下向回風側(cè)運移，使進風側(cè)瓦斯?jié)舛鹊陀诨仫L側(cè)；且距離工作面較遠的采空區(qū)，漏風流對瓦斯的運移作用逐漸減弱，深部逐漸被壓實，風流速度較小，所以采空區(qū)內(nèi)部距工作面較遠區(qū)域瓦斯?jié)舛容^高。

4 “Y+高抽巷”通風采空區(qū)瓦斯運移及分布數(shù)值模擬

4.1 采空區(qū)數(shù)值計算模型

根據(jù)W1309綜放面現(xiàn)場情況，建立采空區(qū)三維物理模型，如圖6所示。工作面和采空區(qū)具體尺寸與上面建立的雙U型通風模型相同，高抽巷沿走向布置，巷道斷面為矩形，寬×高為4 m×3.5 m。

圖6 Y型通風示意圖Fig.6 Y-type ventilation schematic diagram

邊界條件設(shè)定主要考慮入口風速和出口壓力，數(shù)據(jù)以雙U型通風現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為主， 膠帶運輸順槽，回風順槽設(shè)定為速度入口，分別配風2 200 m3/min和1 050 m3/min(配風比2.09∶1)，且進風風流均垂直于巷道入口進入，風流中氧氣濃度為21%，瓦斯?jié)舛葹?；沿空留巷、高抽巷出口設(shè)為壓力出口，壓力分別為0 Pa、6 kPa。

4.2 高抽巷不同垂距下采空區(qū)瓦斯分布特征

模擬時設(shè)置高抽巷的平距均為25 m，垂距分別設(shè)定為25 m、30 m、35 m。 工作面上隅角瓦斯是否超限分別選取高抽巷不同垂距下底板上方Z=3.4 m切面查看瓦斯體積分布并進行比較，如圖7所示。高抽巷的抽采效果查看其出口瓦斯質(zhì)量流量，進而得到抽采純量。

從圖7中可以看出，沿煤層走向方向上，自工作面至采空區(qū)深部瓦斯?jié)舛戎饾u升高，靠近工作面處的采空區(qū)瓦斯分數(shù)波動較大，在距離工作面約100 m外的采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)基本穩(wěn)定；回風巷側(cè)的瓦斯?jié)舛让黠@高于進風巷側(cè)。這是由于采空區(qū)漏風流對瓦斯的運移作用，從進風側(cè)向回風側(cè)方向上瓦斯?jié)舛戎饾u增大；而距離工作面越遠，采空區(qū)漏風流對瓦斯的運移作用逐漸減弱，采空區(qū)深部風流速度較低，所以采空區(qū)內(nèi)部距離工作面較遠的區(qū)域瓦斯?jié)舛容^高。

圖7 不同垂距下Z=3.4 m切面上瓦斯體積分數(shù)分布Fig.7 Gas volume fraction distribution on Z=3.4 m section under different vertical distance

表4 不同垂距下瓦斯抽采效果對比Table 4 Comparison of gas drainage effect under different vertical distance

由表4可知，隨著垂距的增大，高抽巷抽采純量先增加后減小，其中垂距為25 m和35 m時，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.87%和0.72%，無法滿足上隅角瓦斯管理的安全要求，且高抽巷抽采濃度和抽采純量較低，抽采效果差；而垂距為30 m時，抽采效果最佳，抽采濃度最高，可達8.11%，且抽采純量達到18.52 m3/min，上隅角瓦斯?jié)舛让黠@降低，達到《煤礦安全規(guī)程》的安全管理要求。因此，兼顧抽采效率和抽采的時效性，確定高抽巷最佳垂距為30 m。

4.3 高抽巷不同平距下采空區(qū)瓦斯分布特征

在確定高抽巷與工作面的最佳垂距30 m后，分別建立平距為20 m、25 m、30 m、35 m時的高抽巷抽采采空區(qū)瓦斯物理模型，并對其抽采量進行模擬，得到不同平距下高抽巷的抽采純量、上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

圖8和表5分別為不同平距下底板上方Z=3.4 m切面上瓦斯分布規(guī)律和瓦斯抽采效果對比。由圖8可知，隨著高抽巷與回風巷水平距離的增大，瓦斯積聚位置逐漸遠離工作面，且高抽巷抽采瓦斯純量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，高抽巷與回風巷平距為30 m時，高抽巷抽采瓦斯?jié)舛茸罡?，達到8.11%，并且抽采純量也達到最大，為18.89 m3/min，但上隅角瓦斯?jié)舛认鄬^高。平距為35 m時，抽采純量明顯減小，上隅角瓦斯?jié)舛妊杆偕?，此時由于高抽巷已布置于低滲透率區(qū)域，該區(qū)域不能為瓦斯提供積聚空間，瓦斯?jié)舛葴p小且流動阻力增大，故抽采純量減小，導(dǎo)致瓦斯涌出量增多，上隅角瓦斯?jié)舛壬?；而高抽巷與回風巷平距為20 m和25 m時，采空區(qū)瓦斯分布相差不大，由于25 m時高抽巷抽采瓦斯?jié)舛群图兞肯鄬^高且上隅角瓦斯?jié)舛茸畹?，因此綜合考慮覆巖斷裂角等影響，最終確定高抽巷與回風巷的平距為25 m。

圖8 不同平距下Z=3.4 m切面上瓦斯體積分數(shù)分布Fig.8 Gas volume fraction distribution on Z=3.4 m section under different flat distance

表5 不同平距下瓦斯抽采效果對比Table 5 Comparison of gas drainage effect under different flat spacing

5 工程應(yīng)用效果分析

高河能源現(xiàn)階段以雙U型通風系統(tǒng)為主，礦井供風壓力大，生產(chǎn)過程中工作面安全管理比較混亂，上隅角瓦斯偶爾超限。根據(jù)現(xiàn)場情況，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，對3#煤層進行Y型通風系統(tǒng)和走向高抽巷聯(lián)合布置。由于W4301工作面與W1309工作面是相鄰工作面，且地質(zhì)條件相差不大，依據(jù)工程類比法，現(xiàn)對W4301工作面進行布置，具體如下：①采用兩進一回的Y型通風系統(tǒng)配合走向高抽巷，工作面沿傾向布置、走向開采，長200 m，寬5 m，采高3.5 m，放高2.89 m；②膠帶順槽和回風順槽均寬4 m，高3.5 m，分別配風2 200 m3/min和1 050 m3/min(配風比2.09∶1)；③高抽巷斷面為矩形，寬3 m，高3 m，沿工作面走向布置，距煤層頂板垂距為30 m，與回風順槽的平距為25 m，抽采負壓為6 kPa。

W4301綜放面開采后，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：W4301綜放面的瓦斯涌出量平均為29.18 m3/min，高抽巷瓦斯抽采純量平均為17.41 m3/min，占瓦斯涌出量的59.7%，抽采瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.63%，可以看出，現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合，其中相對誤差為6.23%，未超過工程誤差的允許范圍，這說明了數(shù)值模擬方法對指導(dǎo)高抽巷的布置具有重要意義。

統(tǒng)計分析高抽巷抽采期間上隅角日均瓦斯?jié)舛群透叱橄锍椴赏咚節(jié)舛龋玫酵咚钩椴蓾舛入S時間的變化曲線如圖9所示，可以看出，隨著高抽巷抽采時間的增加，高抽巷抽采瓦斯?jié)舛戎饾u增加，最大可達8.20%，而上隅角瓦斯?jié)舛让黠@降低，平均0.52%，最低0.41%，滿足《煤礦安全規(guī)程》安全管理要求。

圖9 瓦斯?jié)舛入S時間的變化曲線Fig.9 Curve of gas concentration change with time

通過在W4301綜放面的試驗，在目前高河礦區(qū)普遍應(yīng)用雙U型通風系統(tǒng)不能有效解決瓦斯超限的情況下，在深部高瓦斯煤層工作面進行“Y+高抽巷”聯(lián)合布置，可為高河礦區(qū)甚至潞安礦區(qū)開采高瓦斯煤層提供一種新思路。

6 結(jié) 論

1) 在工作面瓦斯治理方面，Y型通風系統(tǒng)與走向高抽巷的聯(lián)合布置，可以很好地解決工作面瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯超限等問題；同時，Y型通風系統(tǒng)減少了工作面順槽及橫貫的施工，有效緩解了礦井的采掘銜接緊張，降低了工作面通風管理難度，保障了礦井的安全高效生產(chǎn)。

2) 利用FLAC3D數(shù)值軟件模擬工作面覆巖裂隙發(fā)育高度，分析得出W1309綜放面冒落帶最大高度為18 m，裂隙帶最大高度為60 m。并結(jié)合FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果，在Y型通風主副進風巷的配風比為2.09∶1時，高抽巷布置于距回風順槽平距25 m，距工作面頂板垂距為30 m的裂隙帶中，對工作面上隅角及采空區(qū)瓦斯治理效果最好，且抽采效果最佳。

3) 結(jié)合W1309綜放面實際情況，并根據(jù)數(shù)值模擬提供的參數(shù)指導(dǎo)，在W4301綜放面聯(lián)合布置Y型通風系統(tǒng)和走向高抽巷，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析，高抽巷抽采純量平均為17.41 m3/min，占瓦斯涌出量59.7%，抽采瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.63%，最高8.2%；上隅角瓦斯?jié)舛绕骄?.52%，現(xiàn)場應(yīng)用效果驗證了數(shù)值模擬的計算結(jié)果，研究表明：“Y+高抽巷”瓦斯防控模式能夠治理高瓦斯礦井回采工作面上隅角瓦斯超限難題。