煤矿综采工作面高抽巷通风技术研究_张毅.pdf

煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 0引言 随着煤层地质赋存条件的差异， 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， 因此瓦斯状态比较稳定， 主要以吸附或游离状态广泛 存在。采煤过程中， 巷道掘进、 工作面回采、 顶板垮落 等都会引起较大的岩层结构变化， 原有的压力平衡状 态失稳， 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 程不断形成的工作面周边的岩层结构变化最大， 因此 工作面容易发生瓦斯聚集， 对煤矿安全生产造成较大 影响[1-3]。 实践表明， 合理的巷道通风布置可有效降低局部 区域的瓦斯聚集，且为生产活动不断提供新鲜风流， 因此井下通风设计对于煤矿安全生产尤为重要。 本文 所研究综采工作面采用传统的 U 型通风方式，基本 可满足生产需求， 但仍存在回风隅角瓦斯浓度偏高等 问题，为进一步提高生产过程的安全性和稳定性， 本 文将对 “U 型通风 高抽巷” 通风方式的效果和巷道 参数等进行研究。 1工作面概括 晋兴能源有限公司位于山西省吕梁市， 矿区可采 煤炭储量 1413Mt，主采 8 和 13 煤层。23107 综采 工作面位于 640m水平 21 采区，主采 13 煤层， 煤 层厚度 12.10～16.08m， 上部为半亮型煤， 下部暗煤增 多，煤层一般含 1～3 层夹矸，多为炭质泥岩，层厚 0.10～0.65m， 煤层顶底板情况见表 1。 表 1煤层顶底板情况表 煤矿综采工作面高抽巷通风技术研究 张毅 （山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 ，山西 晋城 048006 ） 摘要 针对 U型通风方式存在的回风隅角瓦斯浓度偏高等问题，本文首先对高抽巷的瓦斯抽采原 理进行了分析， 然后对高抽巷与回风巷的垂直距离和水平距离等参数进行了公式计算， 得出高抽巷的 最佳层位参数， 最后利用 FLUENT软件模拟分析了高抽巷对 U 型通风方式下工作面巷道和采空区的 瓦斯浓度分布的影响， 结果表明增加高抽巷后可有效避免回风隅角瓦斯聚集， 保障生产安全性和工作 面瓦斯浓度控制的稳定性。 关键词 U型通风 ； 高抽巷 ； 瓦斯 ； FLUENT 中图分类号 TD712文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0009- 03 Study on Ventilation Technology of High Drainage Roadway in Fully Mechanized Coal Mining Face ZHANG Yi （Shanxi JinchengAnthracite MiningGroup co. LTD ， Jincheng 048006 ， China ） Abstract In viewof the high gas concentration of the return air angle in the U- type ventilation mode. Firstly, the principle of gas drainage in high- drainage roadway is analyzed, and then the high The vertical distance and horizontal distance of the pumping lane and the return airway are calculated by ula, and the optimal horizon parameters ofthe high pumping lane are obtained. Finally, the FLUENT software is used to simulate and analyze the roadway of the high draft roadway under the U- shaped ventilation mode. And the influence of the gas concentration distribution in the goaf, the results showthat after the high pumping lane is increased, the gas accumulation of the return air angle can be ef- fectivelyavoided, and the production safetyand the stabilityofthe gas concentration control ofthe workingface are guaranteed. Key words U- shaped ventilation ; high pumpinglane ; gas ; FLUENT 顶底板 名称 岩石名称厚度m岩性特征 老顶中细粒砂岩 2.13～9.18 4.49 灰白色，巨厚层构造，成分以石英为 主， 磨圆度、 分选性中等， 泥钙质胶结 直接顶泥岩 4.27～7.16 5.36 灰黑色， 泥质结构， 含黄铁矿薄膜， 小 型交错层理 直接底泥岩 0.30～8.40 3.45 灰黑色， 块状构造， 泥质结构， 含煤屑和 植物茎叶化石， 局部夹 14 号、 15 号煤 老底砂质泥岩 3.14～11.00 6.14 灰黑色， 厚层状构造， 泥质结构， 局部 含砂量较高 9 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 工作面整体为一走向近南北倾向西的单斜构造， 可采走向长度 3400m， 倾斜长度 242.4m， 倾角 7.9 ～9.6。 23107 工作面位于 21 采区回风上山北侧， 西 侧、 北侧为实煤区， 东北侧为原斜沟煤矿旧矿 13 号煤 采空区，上部为 8 号煤层 18103、 18105、 18117 采空 区， 上部东侧为 18101、 18115 采空区和原斜沟煤矿 8 号煤采空区。23107 工作面采高为 3.6m， 有效控顶距 为 6.5m， 长度 260m； 采用 U 型通风方式， 两侧进风巷 和回风巷断面尺寸为 3.5m5m；后侧采空区走向长 度 300m， 倾向长度 260m。 2U 型通风方式的缺点 一般情况下， U型通风方式 （见图 1 ） 以材料巷为 进风通道， 皮带巷为回风通道， 风流较为稳定， 可源源 不断为工作面提供新鲜空气， 并将瓦斯气体带出。对 于没有瓦斯突出风险的矿井， U 型通风方式以其较低 的施工和维护成本优势， 被各大矿井广泛采用， 有效 控制了井下工作面的瓦斯浓度。 但这种通风方式也有 以下两方面缺点①新鲜空气从进风巷进入工作面 后， 部分风流漏入未压实的采空区， 并将其中富集的 瓦斯气体运移至工作面另一端，从回风巷端部排出， 导致该位置的瓦斯浓度升高； ②实践表明， 该种通风 方式将在回风巷上隅角造成局部涡流， 加剧了该位置 的瓦斯聚集[4-6]。因此， U型通风方式在实践生产中需 对回风隅角的瓦斯浓度进行有效的监测和控制。 图 1U 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 煤层回采后， 采空区上覆岩层失去支撑， 发生周 期性的大规模垮落， 由于各部分岩层应力不同， 所以 垮落过程从下向上存在滞后性。如图 2 所示， 靠近采 空区断面的岩体， 在拉应力和剪切应力综合作用下， 发生不规则的断裂和垮落， 为主要垮落区； 在其上部 的岩体， 为裂隙区， 剪切力减弱， 但仍发生断裂破坏， 并将已垮落的底部岩层压实； 再往上的岩体， 为离层 区， 主要受拉应力作用， 发生离层断裂， 碎裂程度低， 对裂隙区岩层的压力作用较弱。因此， 底部垮落区内 被压实岩层内的瓦斯气体被挤压进入上部裂隙区和 离层区， 导致采空区内出现局部瓦斯聚集现象[7-10]。 图 2采空区内瓦斯聚集原理 在顶板上部设置高抽巷正是利用了上述的采空 区瓦斯聚集特性， 回采过程中， 采空区周边岩层裂隙 快速发育，其中的瓦斯气体沿裂隙运移至采空区， 尤 其是上层的裂隙区。 因此， 高抽巷应设置在裂隙区内， 将采空区内的高浓度瓦斯抽出。 3.2高抽巷位置参数计算 高抽巷的位置参数包括垂直高度 和与回风巷的 垂直水平距离 在垂直高度计算时， 应考虑瓦斯的聚 集位置和周边岩层的稳定性， 距离过大和过小都将影 响抽采效果； 在水平距离计算时， 应根据经验公式， 避 免距离过小造成的抽采巷围岩裂隙增多，密封性变 差， 抽采能力降低。具体计算过程如下 3.2.1 垂直高度 根据 3.1 分析可知， 高抽巷的垂直位置应在顶板 裂隙带的中部， 该位置的瓦斯聚集较为明显， 且围岩 完整性较好，不会再回采过程中发生垮落和堵塞， 因 此， 高抽巷的垂直高度 应满足以下公式 Hm＜HZ＜Hl（1 ） 式中 Hm为冒落带高度； Hl为离层区高度。 Hm和 Hl的经验计算公式如式 （2 ） 、（3 ） ， 该公式 适用于采高小于 3m 的工况， 且计算值与实际测量值 较为接近， 而当采高大于 3m 时， 需要对两公式的计 算值进行修正， 修正系数约为 1.3- 1.5。 Hm 100M 4.7M2.9 2.2（2 ） Hl 100M 1.6M3.6 5.6（3 ） 本文所研究工作面的采高 M为 3.6m， 据此可得 Hm （1.3～1.5 ） 100M 4.7M2.9 2. （） 2 （26.4～30.5 ） m 10 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 Hl （1.3～1.5 ） 100M 1.6M3.6 5. （） 6 （57.3～66.1 ） m 由此可知， 裂隙带高度约在 26.4～66.1m 之间， 则 高抽巷的垂直高度 HZ最终选择为 46 至 50m。 3.2.2与回风巷的水平距离 采空区围岩压力较大， 为避免过大压力对高抽巷 的破坏， 其水平位置应尽量位于已充分卸压的裂隙带 内。同时， 还应充分考虑工作面通风负压对采场瓦斯 运移的影响， 防止瓦斯气体向回风巷的聚集。 根据以往 经验， 高抽巷与回风巷的水平距离 S应满足以下关系 S HZ tanβ （4 ） 式中 β 为顶板岩石的卸压角， 取 β65。 由式 （4 ） 计算可知， 高抽巷与回风巷的水平距离 S为 21.5m至 23.3m； 4高抽巷对瓦斯分布的影响分析 4.1系统建模 以本文所研究综采工作面一进一回的 U 型通风 方式为例， 经过结构简化后， 在 FLUENT 软件中建立 其通风巷道模型， 巷道参数按第 1 节概况所述。 另外， 需假设采空区垮落岩石为非均匀多孔介质， 冒落带孔 隙率为 0.25， 裂隙带的孔隙率为 0.1。另外， 忽略通道 内各种机械设备对气流的影响。 4.2U 型通风方式模拟结果 图 3U 型通风方式瓦斯浓度分布图 图 3 为 U 型通风方式瓦斯浓度分布图，可以看 出， 在没有高抽巷的情况下， 采空区内的瓦斯气体随 风流在回风巷口聚集并排出， 但由于回风隅角涡流的 存在， 该位置的瓦斯浓度不易控制， 容易出现瓦斯聚 集和偏高的情况， 模拟发现， 在靠近巷口位置的最高 瓦斯浓度可达 0.6左右，低于停工临界浓度 0.8。 但当开采至瓦斯富集浓度较高的煤层时， 仍可能出现 瓦斯浓度超限， 并触发报警。 4.3增加高抽巷后模拟结果 图 4 为增加高抽巷后的瓦斯浓度分布图， 相比单 纯的 U型通风， 采空区的瓦斯分布变化较小， 但在靠近 回风巷口一侧， 由于增加了高抽巷， 使部分采空区瓦斯 由高抽巷排除，因此避免了大量采空区瓦斯在回风巷 上隅角的聚集， 该区域的瓦斯浓度降低至 0.2左右。 图 4增加高抽巷后瓦斯浓度分布图 5结论 通过以上研究可知， 对于中低瓦斯风险的矿井工 作面， 在 U 型通风方式基础上增加高抽巷， 并对其层 位进行合理计算和设置， 可有效避免回风隅角瓦斯聚 集，保障生产安全性和工作面瓦斯浓度控制的稳定 性。 参考文献 [1] 朱艳星.贺西煤矿高抽巷设计及瓦斯治理效果分析[J].山 东煤炭科技,2018 （09） 103- 106. 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