205工作面实施“110工法”上隅角瓦斯超限治理研究.pdf

2023 年 10 月Oct.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.013205 工作面实施“110 工法”上隅角瓦斯超限治理研究（山西沁和能源集团九鑫煤业有限公司，山西 晋城 048203）摘要 九鑫煤业205工作面中后期实施“110工法”开采时，工作面由U型通风调整为Y型通风系统，采空区漏风较为严重，工作面上隅角瓦斯超限现象时常发生，影响煤矿生产安全。针对性设计上隅角瓦斯超限现象治理方案并采用模拟软件进行分析。模拟结果显示：确定增加直径至300 mm的超大直径埋管提高抽采效果的治理方案最好；现场施工后采空区瓦斯浓度均在0.32%以下，有效解决了工作面瓦斯集聚超限问题。关键词“110工法”；沿空留巷；Y型通风；瓦斯超限；瓦斯抽采中图分类号 TD713文献标识码 B文章编号 1672蛳9943（2023）05蛳0042蛳030引言对山西沁和能源集团九鑫煤业公司 205 工作面“110 工法”开采时工作面上隅角产生的瓦斯超限问题进行了现场实际测量及 CFD 数值模拟研究，针对性地提出了治理措施，为保障煤矿高效安全生产奠定了基础。1工程概况1.1九鑫煤业及 205 工作面概况山西沁和能源集团九鑫煤业位于山西省晋城市沁水县中村镇张马村，批准开采 215 号煤层，井田面积 3.473 km2，工业储量 22 849 万 t，设计生产能力 0.60 Mt/a。205 工作面位于九鑫煤业东南部的一采区，沿 2 号煤层底板掘进。煤层厚度 2.76.82 m，平均厚度 4.41 m，煤层倾角 1毅3毅，平均倾角 2毅；工作面长 1 524 m，矩形断面，巷道毛断面积为 16.64 m2，巷道净断面积为 15 m2。工作面采用锚网索联合支护方式。1.2瓦斯超限原因分析205 工作面设计为 U 型通风方式，配风量1 500 m3/min，风排瓦斯绝对涌出量 12 m3/min，工作面上隅角瓦斯浓度 0.42%。当 205 工作面推进至207 切眼位置（已与 205 运输顺槽贯通）后，205 运输顺槽实施“110 工法”沿空留巷咱1暂，将 205 运输顺槽作为 207 轨道顺槽使用。此时 205 工作面采用“两进一回”式 Y 型通风系统，如图 1 所示。207 切眼和留巷及 205 运输顺槽为进风巷，留巷配风量1 000 m3/min，205 运输顺槽配风量 875 m3/min。图 1205 工作面“两进一回”式通风系统在采用“110 工法”回采期间，留巷与采空区构成整个工作面通风系统的并联分支，采空区无法做到完全与工作面以及留巷道隔绝，采空区会发生漏风问题，影响到工作面上隅角瓦斯浓度。经检测，当留巷长度达到 75 m 时，采空区漏风已形成线源漏风状态，留巷与与采空区相通，在 205 回风顺槽上隅角瓦斯浓度常超过 0.8%，形成安全生产隐患，必须对通风系统进行优化调整。2工作面上隅角瓦斯超限问题的治理方案设计2.1第一阶段的瓦斯超限问题治理方案为解决 205 工作面在“110 工法”施工作业时采空区漏风严重、工作面上隅角瓦斯超限问题，基于现场的实际条件，对以往的通风模式进行了优化调整。该煤矿于 2021 年 5 月将 205 工作面通风方式调整为“一进两回”式，进风为 205 运输顺槽进风，回风为 205 回风顺槽和留巷经 207 切眼回风。经监测，调整为“一进两回”式通风方式后，工作面上隅角瓦斯浓度超限有了一定程度的好转，检修期间瓦205 回风顺槽205 运输顺槽（207 轨道顺槽）205 入风改造道（207 运输顺槽）留巷巷道矿业技术能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5422023 年 10 月Oct.,2023斯浓度降低至 0.38%，生产期间瓦斯浓度降低至0.58%，但仍然存在上隅角瓦斯浓度超过 0.8%的现象，有必要采取进一步治理上隅角瓦斯措施。2.2第二阶段的瓦斯超限问题治理方案的构建针对经第一阶段的瓦斯超限问题治理后，仍然有瓦斯超限问题的情况，构建了第二阶段的瓦斯超限问题治理方案。瓦斯治理方案 1：调整工作面通风方式。将第一阶段调整后形成的“一进两回”通风方式进一步优化调整为一种新型“两进一回”通风方式。进风巷为回风顺槽和运输顺槽，回风巷为沿空留巷，实现对上隅角瓦斯浓度的治理。瓦斯治理方案 2：增大埋管抽采的管道直径，提高抽采量，进而实现对工作面上隅角瓦斯浓度的治理。为了确定以上 2 种瓦斯超限问题治理方案的治理效果，对 205 工作面 Y 型通风系统模式下不同的瓦斯超限问题治理方案进行模拟分析，最终确定合理可行的治理方案。3上隅角瓦斯治理的模拟分析3.1物理模型的建立及方法结合 205 工作面地质条件，构建 205 工作面通风系统模型。采空区模型的尺寸设计为：长宽高=400 m210 m30 m。205 工作面采空区模型如图 2 所示。图 2205 工作面采空区模型采用尺寸为 1 m 的六面体网格划分规则对模型进行划分。205 工作面采空区及工作面和巷道的网格数值分别为 2 465 300、468 300 个；边界条件风道入口采用入口速度边界条件，风道出口采用自由出流边界条件。采空区模型参数设置为：孔隙率为 0.24；黏性阻力系数为 2.9107；惯性阻力系数为 10 900；工作面与采空区间隔面满足布林克曼速度矢量等于纳维-斯托克斯不足速度矢量。3.2模拟效果分析3.2.1漏风规律的对比分析对 Y 型通风系统“一进两回”式和“两进一回”式通风方式在不同留巷长度（010 m、1030 m、3080 m、80150 m、150300 m）时采空区的漏风情况进行了模拟分析，结果如图 3 所示。（a）“一进两回”Y 型通风工作面漏风量（b）“两进一回”Y 型通风工作面漏风量图 3不同通风方式下采空区的漏风情况从图 3 数据可知，当留巷长度为 010 m 时，“一进两回”和“两进一回”通风方式下风流均从采空区漏出；当留巷长度超过 10 m 后，“一进两回”和“两进一回”通风方式下风流均反向流入到采空区内，随着留巷长度不断增加，2 种方式流入到采空区内的风量均为增大趋势，但“一进两回”式风量增大较明显；当留巷长度为 150300 m 时，漏风量可达 123.86 m3/min，对比“一进两回”式，“两进一回”式漏风整体较小，漏风增长趋势较为缓慢。对 Y 型通风系统“一进两回”式和“两进一回”式通风方式下采空区瓦斯分布进行了模拟分析，得到了相应的瓦斯分布数据。由模拟结果可知：“两进一回”式较“一进两回”式采空区回风隅角处瓦斯浓度较低；在“两进一回”式 Y 型通风下采空区瓦斯涌出变为沿沿空留巷巷道涌出，不同于以往在局部集中涌出，因此使得回风顺槽处瓦斯浓度较低。另外运输顺槽进风量对采空区瓦斯浓度起到了稀释作用，这也使得回风隅角处瓦斯浓度更低。史沁东205 工作面实施“110 工法”上隅角瓦斯超限治理研究工作面采空区205 工作面运输顺槽沿空留巷207 工作面运输顺槽205 工作面回风顺槽留巷长度/m1501209060300-30-60-90123.8692.5460.4331.23-15.14留巷长度/m1501209060300-30-60-9098.7970.5345.1717.64-11.750101030 3080 80150 1503000101030 3080 80150 150300432023 年 10 月Oct.,20233.2.2不同抽采管径条件下对瓦斯浓度的影响新鲜风流进入 205 运输顺槽，随着煤壁和采落煤炭瓦斯涌出，新鲜风流中瓦斯含量不断增加而形成高瓦斯浓度风流，因漏风流入采空区，向冒落带方向流动，在采空区上隅角位置集聚导致瓦斯超限。从上述分析可知，如加大瓦斯抽放速率，可以有效缓解瓦斯集聚导致瓦斯超限问题发生。针对这一情况，采用不同抽采埋管管径尺寸（50、100、200、300 mm）进行了瓦斯抽放效果的模拟分析。从模拟结果得到的不同埋管管径下采空区瓦斯体积分数数据可知：当钻孔直径d=50 mm 时，瓦斯体积分数较高使得上隅角瓦斯浓度超过 0.8%，发生瓦斯集聚超限，危害到煤矿开采安全；当钻孔直径d=100 mm 和 200 mm 时，采空区瓦斯体积分数有所下降，瓦斯集聚超限问题得到大幅度缓解；当钻孔直径d=300 mm 时，采空区瓦斯体积分数大幅度下降，瓦斯浓度降低至 0.38%以下，瓦斯集聚超限问题完全解决。4瓦斯超限问题治理方案的确定与实施4.1瓦斯超限问题治理方案的确定从上述模拟结果可知，通过调整为 Y 型通风系统新型“两进一回”通风方式和增加瓦斯抽采管道直径的办法，均可以实现瓦斯超限问题的治理。从205 工作面的现场应用实际出发，采用增加瓦斯抽采管道直径的办法更为合理。4.2瓦斯超限问题治理方案的实施基于 205 工作面现场情况，保留工作面原有的瓦斯抽采系统不变，另外增设 1 套井下临时瓦斯抽采泵站系统，布置情况如图 4 所示。图 4205 工作面临时瓦斯抽采泵站系统布置情况在 205 工作面回风顺槽向采空区方向施工 20个超大直径钻孔，钻孔直径d=300 mm，孔间距 10 m，钻孔长度 30 m，用来在回风顺槽一侧采空区进行临时瓦斯抽采泵站系统的埋管。同时，在 205 工作面回风顺槽向采空区方向一侧布置测点，检修期间瓦斯浓度分布曲线如图 5 所示。图 5205 工作面实测瓦斯浓度分布曲线从图 5 数据可知，在与工作面距离处于 020 m范围内，瓦斯浓度呈现轻微递减趋势；在与工作面距离从 20 m 增加至 160 m 过程中，瓦斯浓度呈现出递增趋势。从数值上看，瓦斯浓度均在 0.32%以下。瓦斯浓度实测结果与模拟结果基本一致，瓦斯集聚超限问题得到了完全解决，保证了 205 工作面的安全开采。5结论九鑫煤业 205 工作面中后期实施“110 工法”，运输顺槽切顶卸压沿空留巷，205 运输顺槽用作207 轨道顺槽，为衔接 207 工作面生产做好准备。此时 205 工作面由 U 型通风系统调整为 Y 型通风系统，采空区漏风情况较为严重，工作面上隅角瓦斯超限现象时常发生。针对这一情况，在前期第一阶段调整为“一进两回”通风方式，采空区漏风情况得到改善，但仍然存在上隅角瓦斯浓度超过 0.8%的现象。在第二阶段，在 205 工作面回风顺槽向采空区方向设计施工超大直径钻孔，在原瓦斯抽采系统基础上增设一套井下临时瓦斯抽采泵站系统，实测采空区瓦斯浓度均在 0.32%以下，瓦斯集聚超限问题得到完全解决。瓦斯治理效果显著，有效提高了205 工作面开采的安全性，为实现九鑫煤业高效安全开采奠定了基础。参考文献1张振彬，于聪明，陈瑞鼎.沿空留巷工作面复杂通风模式采空区漏风规律数值模拟研究 J.能源技术与管理，2022，47（4）：50-52.作者简介史沁东（1979-），男，注册安全工程师，毕业于大同大学采矿工程专业，长期从事煤矿开采技术相关工作。收稿日期：2023-02-24采空区205 工作面运输顺槽沿空留巷207 工作面运输顺槽205 工作面回风顺槽工作面回风回风进风超大直径钻孔载荷影响区与工作面距离/m0.350.300.250.200.150.10100120140160204060800能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.544