分段留巷Y型通风采场瓦斯与流场分布三维实测与重构*

张 欢，赵洪宝,2，李晓白, 王宏冰 ,李兵伟，邹友平

(1.共伴生能源精准开采北京市重点实验室中国矿业大学(北京)， 北京 100083；2.河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室-省部共建国家重点实验室培育基地河南理工大学，河南 焦作 454001；3.山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046600；4.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

0 引言

煤矿井下采掘工作面是最主要的开采作业空间，同时也是容易产生瓦斯集聚和受瓦斯灾害威胁最为严重的场所。工作面空间内的瓦斯来源主要包括采空区涌入瓦斯、临近层涌入瓦斯和工作面煤壁涌出瓦斯[1]。传统的U型通风系统，不能很好的解决工作面瓦斯超限问题，尤其是工作面上隅角[2-4]；而采用两进一回的Y型通风方式，不仅可以避免工作面和回风流瓦斯浓度过高，还可以很好的解决工作面上隅角瓦斯集聚的问题[5-9]。

目前对采场瓦斯浓度分布和流场形态规律的研究多集中于理论研究[10-12]、数值模拟研究[13-17]和现场实测[18-21]这3个方面。蒋曙光[10]、章梦涛[11]、刘剑[12]等基于一定的假设对采场流场进行了理论分析，并建立了相应的理论模型；Widiatmojo[13]、戚良锋[14]、王凯[15]、李宗翔[16]、胡千庭[17]等将采空区视为理想的均匀多孔介质，对采空区的流场形态和瓦斯分布规律进行了研究；姜福兴[18]、董海波[19]、陈胜利[20]、马海峰[21]等运用实测技术手段研究了该开采条件下的采场瓦斯分布和运移规律。但是，理论研究由于往往基于多种理想假设而造成所得理论模型与现场实际相差较大，不能很好地指导现场；数值模拟往往对采场作适当的假设和简化，使得数值模拟所得结果对现场实际生产所提供的指导也非常有限；现场实测可以很好地贴近实际生产，针对工作面具体情况，为安全生产提供可靠的技术指导。本文以山西霍尔辛赫煤矿3605综放开采Y型通风采场不同区域三维实测所得的瓦斯浓度和风速为主要参数，分别对“两进一回”Y型通风工作面、工作面运输巷、辅助进风巷、沿空留巷(回风巷)及采空区瓦斯浓度区域分布规律进行了三维实测与重构，为该开采条件或相似开采条件下的瓦斯治理提供了技术指导。

1 采场瓦斯浓度及流场监测方案

1.1 工作面概况

选取霍尔辛赫煤矿3605综放开采Y型通风工作面为监测对象。3605工作面位于该矿3#煤层六盘区一水平，工作面走向长度为1 726 m，倾斜长度为245 m，煤层平均倾角为7°，平均厚度为5.9 m，采放比为1∶0.97。工作面通风方式采用“两进一回”的Y型通风方式，即工作面运输巷和辅助进风巷进风，辅助进风巷沿空留巷回风，其中工作面运输巷为主进风巷。沿空留巷采用分段沿空留巷，每隔50 m左右布设一个分段。工作面煤层经本煤层抽采后瓦斯含量为7.9 m3/t，煤层不易自燃，煤尘具有爆炸危险性。

1.2 监测点布置方案

为了更系统全面的监测综放Y型通风工作面流场及瓦斯分布规律，分别在工作面运输巷、辅助进风巷、工作面、沿空留巷不同区域内设置多个监测面，每个监测面根据不同情况设置多个监测点。各监测面布置示意图如图1所示，各监测面内监测点布置示意图如图2所示。

图1 各监测面布置示意Fig.1 Schematic diagram of the monitoring surface layout

1)工作面运输巷与辅助进风巷：工作面运输巷和辅助进风巷分别设3个监测面，分别为超前支护前15 m处、超前支护处、距工作面10 m处；每个监测面均匀布置9个监测点，如图2(a)所示。

2)工作面：工作面共设置了6个监测面，分别为靠近辅助进风巷液压支架10架处、42架处、73架处(采煤机后)、104架处(采煤机前)、135架处、166架处，每个监测面均匀布置9个监测点，如图2(c)所示。

3)沿空留巷：从工作面与沿空留巷的交叉处开始布设第一个监测面，每隔10 m布设一个监测面，共布设5个监测面；每个监测面均匀布置9个监测点，如图2(b)所示。

图2 各监测面内监测点布置示意Fig.2 Schematic diagram of each monitoring point layout

2 基于Matlab的采场瓦斯浓度及流场分布规律

根据上述监测点布置方案，每天分别在检修班、采煤班监测各个监测点的风速和瓦斯浓度，连续监测15 d，收集所得数据，进行分类整理，然后把每个监测点、监测面的数据在三维空间上联系起来，借助Matlab数值分析软件进行插值拟合，并将其三维可视化，从而更直观的获得整个采场巷道内不同区域的流场和瓦斯浓度分布规律。

2.1 流场空间分布特征

工作面运输巷配风量为2 224 m3/min，辅助进风巷风量为1 236 m3/min，工作面运输巷为主进风巷，风速较大。

1)工作面运输巷与辅助进风巷流场分布特征

对工作面运输巷和辅助进风巷内各监测点所测风速进行三维重构，如图3所示。

由图3可知：工作面运输巷向工作面拐角内角(工作面运输巷监测面3内的①，④，⑦监测点区域)风速减小，而拐角外(③，⑥，⑨监测点区域)风速增大；辅助进风巷监测面3内的①，④，⑦监测点区域风速明显减小，而⑤，⑥，⑨监测点区域风速明显增大。采煤与检修2种工况对工作面运输巷和辅助进风巷内流场形态的影响不大，且分布规律大致相同。

图3 两进风巷内流场空间分布Fig.3 Space distribution of flow field in two intake airway

2)工作面流场分布特征

对工作面内各监测点所测风速进行三维重构，如图4所示。

图4 工作面内流场空间分布Fig.4 Space distribution of flow field in working face

由图4可知：新鲜风流由工作面运输巷进入工作面后风速呈现先减小后增大的变化规律，其中各监测面中靠近采空区的③，⑥，⑨监测点区域呈现该变化规律尤为显著。这主要是由于风流刚进入工作面后由③，⑥，⑨监测点区域向采空区漏风，而在工作面的后半段，漏进采空区的风流部分重新流入工作面。由于受工作面机械设备、构筑物和漏风的影响，同一监测面内②，④，⑤监测点区域风速较大，⑥，⑧，⑨监测点区域风速较小。对于不同监测面的相同监测点区域，各监测面内的①，④，⑦监测点区域风速变化最小，且该部分区域风速与工作面断面的平均风速最接近。

3)沿空留巷流场分布特征

对沿空留巷内各监测点所测风速进行三维重构，如图5所示。

图5 沿空留巷内流场空间分布Fig.5 Space distribution of flow field in gob-side entry retaining

由图5可知：在工作面内风流与辅助进风巷内风流汇合处①，⑥，监测点区域风速较小，而③，⑧，监测点区域风速比较大，且其差别较大。风流进入沿空留巷后，从监测面1至监测面5风速整体上呈逐渐增大趋势，局部风速可达8 m/s左右，这主要是由于随着工作面不断向前推进，沿空留巷深部断面受挤压变形后变小，且采空区向沿空留巷存在部分漏风造成的。

2.2 瓦斯浓度空间分布特征

1)工作面运输巷与辅助进风巷瓦斯分布特征

对工作面运输巷和辅助进风巷内各监测点所测瓦斯浓度进行三维重构，如图6所示。

由图6可知：工作面前方40 m范围内工作面运输巷与辅助进风巷内的瓦斯浓度均较低，且分布比较均匀。在与工作面煤壁平行断面处瓦斯浓度出现明显波动，表现为两监测面内的①，④，⑦监测点区域瓦斯浓度显著升高。工作面开机揭煤时，两进风巷内的瓦斯浓度普遍高于停采检修时15%～25%，这主要是由于工作面前方一定范围的煤体受采动应力的影响，原本封存在煤体内的瓦斯涌入两进风巷和工作面所致。

2)工作面瓦斯分布特征

对工作面内各监测点所测瓦斯浓度进行三维重构，如图7所示。

由图7可知：新鲜风流从工作面运输巷进入工作面时瓦斯浓度较低，进入工作面后瓦斯浓度升高，从工作面监测面1至监测面6瓦斯浓度呈现逐渐升高的趋势，且从监测面1至4瓦斯浓度升高较慢，而由监测面4至6瓦斯浓度升高较快。对于监测面内的不同监测点，①，④，⑦监测点区域的瓦斯浓度高于其他监测点区域，且工作面上部空间区域瓦斯浓度普遍高于下部。开机时工作面瓦斯浓度明显高于检修时，且在采煤机后(靠近沿空留巷侧)瓦斯浓度显著升高。

图6 两进风巷内瓦斯空间分布Fig.6 Space distribution of gas in two intake airway

图7 工作面内瓦斯空间分布Fig.7 Space distribution of gas in working face

3)沿空留巷瓦斯分布特征

对沿空留巷内各监测点所测瓦斯浓度进行三维可视化处理，如图8所示。

图8 沿空留巷内瓦斯空间分布Fig.8 Space distribution of gas in gob-side entry retaining

由图8可知：沿空留巷内从监测面1至5整体表现为靠近采空区上角位置(各监测面①，②，③，⑥，⑦，监测点区域)瓦斯浓度较高，但随着沿空留巷向采空区深部延伸，这种局部瓦斯集聚的现象逐渐消失。沿空留巷初始断面处不同监测点区域瓦斯浓度波动较大，表现为①，⑥，监测点区域瓦斯浓度较大。不同工况条件下，沿空留巷内瓦斯高浓度区域分布规律相似，且采煤班瓦斯浓度高于检修班，局部瓦斯浓度可达0.65%左右。

3 近留巷侧采空区瓦斯浓度分布规律

对于综放开采Y型通风工作面，风流进入采空区后将靠近工作面后方采空区内的瓦斯吹向靠近沿空留巷侧采空区，可能会导致瓦斯在近留巷侧采空区集聚，基于此，在近留巷侧采空区进行瓦斯浓度的三维监测，以得到采空区高瓦斯浓度区域的分布范围。

3.1 采空区瓦斯浓度三维实测设备与监测方案

为了实现对采空区瓦斯浓度分布、变化规律的有效监测，自主研发了一种采空区瓦斯浓度区域分布三维实测装置，该装置主要由采气头、采气管、瓦斯流量监测装置、集气装置和瓦斯浓度检测仪组成，其主要结构如图9所示。

1A.短采气管；1B.中采气管；1C.长采气管；2.采气管阀门；3.管路阀门；4.瓦斯流量计；5.抽气泵；6.集气囊；7.瓦斯浓度检测仪；8.采气头；9.组合纱网；10.管路快速接头。图9 采空区瓦斯浓度区域分布三维实测装置结构示意Fig.9 Three-dimensional measurement device for the distribution of gas concentration in the goaf

采空区瓦斯浓度三维实测设备布设方案如下：

随着采煤工作面推进，在综采液压支架后方(初次来压后施工)铺设采空区瓦斯浓度区域分布实测装置。瓦斯浓度区域分布监测管铺设在综放支架后中部槽后方的采空区内。在工作面推进方向上设置3组瓦斯浓度区域分布监测管，根据所监测区域范围不同，设置不同的监测管长度和上仰角，各监测管布置参数如表1所示。工作面每推进10 m，瓦斯浓度数据采集人员在留巷段内对铺设在采空区内不同位置监测管的瓦斯浓度参数进行采集，从而得到采空区高瓦斯浓度区域的分布范围。

表1 监测管布置参数Table 1 Parameter table of monitoring tube layout

3.2 近留巷侧采空区瓦斯浓度三维分布特征与重构

基于上述采空区瓦斯浓度区域分布三维实测数据，在检修班和工作班2种工况下，对近留巷采空区空间瓦斯分布进行三维可视化重构，如图10所示。

图10 近留巷侧采空区瓦斯空间分布Fig.10 Space distribution of gas in the goaf near gob-side entry retaining

由图10可知：综放Y型通风条件下，近留巷侧采空区在一定范围内形成高瓦斯浓度集聚的危险区域。在垂直工作面向采空区深部延伸方向上，随着距工作面距离的增加，采空区瓦斯浓度整体表现为先升高后略降低，在距工作面35～45 m范围内瓦斯浓度达到最高，达0.75%左右；在平行工作面由沿空留巷向采空区深部延伸方向上，随着距沿空留巷距离的增加，采空区瓦斯浓度先缓慢升高后降低，在距沿空留巷25～50 m范围内瓦斯浓度达到最高，近0.8%；在垂直煤层底板方向上，采空区内瓦斯浓度由煤层底板向上瓦斯浓度逐渐升高，随着向采空区深部延伸，采空区上部与下部瓦斯浓度趋于均匀，差别变小。不同工况条件下，近留巷侧采空区瓦斯空间整体分布特征相似，差异主要表现为采煤班时靠近工作面后方采空区瓦斯浓度高于检修班。

4 结论

1)基于现场实测参数，对分段留巷Y型通风两进风巷、工作面及沿空留巷内的流场和瓦斯空间分布进行了三维重构；两进风巷在与工作面交叉位置处流场和瓦斯浓度发生明显变化，主要表现为靠近工作面煤壁拐角处风速减小而瓦斯浓度升高；工作面内高瓦斯浓度区域为靠近煤壁上方区域，且在工作面与沿空留巷交叉口靠近采空区侧瓦斯浓度升高明显；沿空留巷内靠近采空区上角位置瓦斯浓度较高；不同工况条件下，采场各巷道内流场及瓦斯分布规律相似。

2)借助自主研发的一种采空区瓦斯浓度区域分布三维实测装置对近留巷侧采空区瓦斯空间分布进行了三维实测和重构；分段留巷Y型通风条件下，近留巷侧采空区在一定范围内形成高瓦斯浓度集聚的危险区域，该高瓦斯浓度区域的范围为在垂直工作面距工作面35～45 m范围和平行工作面距沿空留巷25～50 m范围内的采空区上部空间。

3)综放开采工作面采用分段留巷Y型通风方式时，工作面上隅角瓦斯集聚的问题能够得到很好的解决，但是瓦斯集聚的现象并没有消失，而是转移至靠近留巷的采空区内部，在一定范围内形成高瓦斯浓度区域。同时，该区域受工作面漏风和顶板破断岩块垮落影响，易形成极大的瓦斯爆炸威胁。