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）

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

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3.5m×5m；后侧采空区走向长度300m，倾向长度260m。

2 U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1 U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：

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。

本文所研究工作面的采高M为3.6m，据此可得：

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：

式中：β为顶板岩石的卸压角，取β=65°。

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。

4.2 U型通风方式模拟结果

图3 U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。