王國棟

摘 要：官地礦為解決12605綜采工作面開采過程中反復(fù)出現(xiàn)的上隅角瓦斯積聚現(xiàn)象，采用現(xiàn)場工程調(diào)研方法并利用FLUENT數(shù)值模擬軟件對不同通風(fēng)形式下的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)采用Y型通風(fēng)取得良好治理效果。同時為了解決瓦斯活躍區(qū)的瓦斯?jié)舛却蟮膯栴}，本文采取在活躍區(qū)進(jìn)行埋管抽采的方式對其進(jìn)行治理，發(fā)現(xiàn)當(dāng)埋管深度為15m時上隅角與回風(fēng)巷的瓦斯含量最低，為綜采工作面上隅角瓦斯治理提供了理論依據(jù)和工藝方法。

關(guān)鍵詞：U型通風(fēng);FLUENT數(shù)值模擬;上隅角;瓦斯積聚

隨著煤礦開采深度的增加開采規(guī)模的不斷增大，開采的煤層主要以賦存較為復(fù)雜的煤層為主。賦存復(fù)雜的煤層在采掘過程中開采時反復(fù)出現(xiàn)瓦斯聚集現(xiàn)象間接引發(fā)爆炸等安全事故，困擾煤礦的安全生產(chǎn)。在實(shí)際采掘過程中，對于瓦斯積聚的防治技術(shù)較多，但防治的效果差強(qiáng)人意。朱獻(xiàn)偉[1]采用數(shù)值模擬對L型通風(fēng)的綜采工作面采空區(qū)瓦斯抽采效果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)L型鉆孔抽采技術(shù)可有效解決上隅角瓦斯積聚的問題，達(dá)到了穩(wěn)定采空區(qū)的作用。張志晶[2]對綜采工作面開采過程中上隅角瓦斯異常涌出現(xiàn)象，提出在工作面采用U型通風(fēng)與高位鉆孔的方法對瓦斯進(jìn)行治理，有效解決了上隅角瓦斯超限問題，保證了礦山的安全生產(chǎn)。本文以官地礦12605為研究對象，對12605綜采工作面瓦斯進(jìn)行治理，利用數(shù)值模擬軟件對不同通風(fēng)條件下的瓦斯分布進(jìn)行研究，為治理官地礦瓦斯超限作出了貢獻(xiàn)。

1 礦井通風(fēng)方式及瓦斯積聚規(guī)律研究

官地礦位于西山煤田。井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤14層，礦井年核定生產(chǎn)能力500萬t。12605工作面位于該礦南六采區(qū)2#煤層。工作面東北側(cè)為12603工作面，與該工作面相距23m，西南側(cè)為未采區(qū)。煤層平均厚度2.4m，埋深215～416m，煤層傾角5°，平均采高2.4m。正巷設(shè)計(jì)長度為931m，留巷長度730m。由于在礦山的實(shí)際生產(chǎn)過程中瓦斯涌出量較大，威脅著礦山設(shè)備及礦山人員的安全，所以對上隅角瓦斯進(jìn)行治理是十分有必要的。

目前我國主要針對煤礦瓦斯治理的方法為增大礦井的通風(fēng)量、在井下設(shè)置擋風(fēng)墻，對礦井進(jìn)行設(shè)置上隅角風(fēng)簾等。但上述的治理方案雖然在一定程度上可以治理礦井瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}，但同樣會大礦井的漏風(fēng)現(xiàn)象，從而引發(fā)礦山發(fā)生井下火災(zāi)。所以在一半治理礦山瓦斯問題時，常常選用加大工作面的通風(fēng)量，改變或者優(yōu)化原有的通風(fēng)系統(tǒng)?，F(xiàn)階段常見的通風(fēng)形式包括Y型通風(fēng)、U型通風(fēng)和聯(lián)合通風(fēng)系統(tǒng)。

U型通風(fēng)是一種常見的一進(jìn)一回通風(fēng)系統(tǒng)，此通風(fēng)系統(tǒng)不僅施工較為簡單快捷，同時此通風(fēng)系統(tǒng)化維修簡單，維修成本較低等。但由于采空區(qū)的空隙較大，造成部分風(fēng)流會攜帶礦井瓦斯進(jìn)行運(yùn)動，在回風(fēng)大巷的上隅角處形成瓦斯的渦流聚集區(qū)，導(dǎo)致瓦斯在此部位濃度加大，危害礦井安全。U型通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（a）所示。

Y型通風(fēng)相比于U型通風(fēng)是一種升級的通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)采用兩進(jìn)一回的通風(fēng)模式。在采空區(qū)的瓦斯隨著通入風(fēng)流進(jìn)行排出，與此同時，在工作面的上下側(cè)由于處于進(jìn)入風(fēng)流位置，有效的解決了工作面上隅角形成瓦斯的超限問題，較好的改善了礦井回采工作面瓦斯超限的問題，有利于維持礦井的安全生產(chǎn)。但Y型通風(fēng)同樣具有一定的弊端，Y型通風(fēng)系統(tǒng)施工較為復(fù)雜且維護(hù)成本較大，所以從經(jīng)濟(jì)學(xué)角角度可以看出，Y型通風(fēng)也存在使用的局限性。Y型通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（b）所示。

U+L型通風(fēng)系統(tǒng)同樣為U型通風(fēng)的升級，利用進(jìn)風(fēng)巷、尾巷、聯(lián)絡(luò)巷及回風(fēng)巷組成一井兩回式通風(fēng)系統(tǒng)，其具有人工控制通風(fēng)量，控制風(fēng)巷的進(jìn)風(fēng)量比值等優(yōu)點(diǎn)，可以在一定程度上解決礦井工作面上隅角瓦斯超限的問題，但此通風(fēng)方式會加大施工量及后期的維護(hù)成本，所以也存在一定的缺點(diǎn)。U+Y型通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（c）所示。

為驗(yàn)證不同的通風(fēng)系統(tǒng)下瓦斯分布規(guī)律，采用FLUENT模擬軟件以官地礦12605工作面為研究背景。對三種通風(fēng)系統(tǒng)下的瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用U型通風(fēng)時，此時在距離工作面10m的位置上隅角的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%，但此時Y型通風(fēng)的上隅角瓦斯?jié)舛葍H為0.1%。隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，U型通風(fēng)的瓦斯量快速升高，當(dāng)工作面推進(jìn)至150m時，此時工作面上隅角的瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)上升至65%。在工作面推進(jìn)至150m時，此時u+L型通風(fēng)的瓦斯?jié)舛容^U型通風(fēng)有所降低，但瓦斯?jié)舛热匀桓哂?5%，所以也不否和安全的要求。繼續(xù)觀察Y型通風(fēng)，可以發(fā)現(xiàn)隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，瓦斯?jié)舛仁冀K保持一定的穩(wěn)定，且瓦斯?jié)舛茸罡卟怀^0.1%，可以看出U+L型通風(fēng)治理瓦斯?jié)舛鹊男Ч幱赨型通風(fēng)系統(tǒng)與Y型通風(fēng)之間，兩進(jìn)一回的通風(fēng)形式可以較好的治理上隅角瓦斯超限問題。

2 瓦斯治理效果分析

在開采過程中，由于瓦斯超限頻繁，嚴(yán)重影響著工作面的安全生產(chǎn)。官地礦針對瓦斯的分布規(guī)律進(jìn)行深入研究，對采用U型通風(fēng)對采空區(qū)的瓦斯流動情況進(jìn)行分析，給出設(shè)定瓦斯涌出量為12～16m3/min，風(fēng)量設(shè)定為1500m3/min，并對采空區(qū)進(jìn)行簡化處理，進(jìn)風(fēng)回風(fēng)巷尺寸均設(shè)置為10m*4m，工作面設(shè)定為156m*6m，對模型進(jìn)行建立及網(wǎng)格劃分，根據(jù)礦山的實(shí)際地質(zhì)資料對模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，劃分完成后對模型進(jìn)行計(jì)算。

通過模擬可知，隨著工作面的推進(jìn)，上隅角向采空區(qū)的深部瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出增大的趨勢，距離工作面越遠(yuǎn)瓦斯的濃度含量越大。距離工作面10m～20m的范圍內(nèi)，瓦斯?jié)舛鹊淖兓厔葑兓顬槊黠@。所以利用FLUENT模擬軟件對不同埋管深度下工作面瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行模擬。埋管深度選擇為5m、15m、25m。模擬結(jié)果如圖2所示。

從模擬可以看出，上隅角進(jìn)行埋管對瓦斯的治理效果較為明顯，可以有效的降低工作面上隅角瓦斯超限的問題。而當(dāng)埋管深度為5m時上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.6%～0.9%，回風(fēng)巷的體積分?jǐn)?shù)為0.5%～0.75%。當(dāng)埋管深度為25m時上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.7%～0.95%，回風(fēng)巷的體積分?jǐn)?shù)為0.5%～0.70%。當(dāng)埋管的深度為15m時，此時對工作面的瓦斯抽采效果最為理想，上隅角的瓦斯體積分?jǐn)?shù)最低為0.5%～0.8%，回風(fēng)巷的體積分?jǐn)?shù)為0.4%～0.60%有效的降低了工作面上隅角的瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，所以埋管深度為15m時的抽采效果最佳。

3 結(jié)論

①官地礦采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對不同通風(fēng)方式下的瓦斯分布規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，采用U型通風(fēng)和U+L型通風(fēng)時，瓦斯的濃度隨著工作面的推進(jìn)持續(xù)增大，而Y型通風(fēng)的瓦斯?jié)舛炔浑S工作面的推進(jìn)而發(fā)生改變;②根據(jù)對采空區(qū)及工作面瓦斯較為活躍的位置進(jìn)行埋管抽采瓦斯可以有效的降低工作面及采空區(qū)的瓦斯?jié)舛?，維護(hù)巷道安全。通過模擬對不同埋管深度下工作面瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)埋管深度為15m時上隅角與回風(fēng)巷的瓦斯含量減少，有效防治了上隅角瓦斯超限問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱獻(xiàn)偉，蔡宏亮，張曉雷.綜采工作面上隅角瓦斯積聚防治技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù)，2014（11）：21-23.

[2]張志晶.綜采工作面上隅角瓦斯治理技術(shù)研究[J].能源與節(jié)能，2014（4）：176-177.