301工作面回风巷瓦斯超限的均压抽放法治理实践

赵强

（山西兰花煤层气有限公司，山西 晋城048000）

近年来，随着我国经济的快速可持续发展，对煤炭的需求不断增加，煤矿采空区瓦斯涌出量也日益增大，严重危害煤矿生产的安全。山西兰花集团亚美大宁煤矿采空区瓦斯涌出量占总瓦斯涌出量的42%，井下工作面与采空区之间的气压易受扰动，采空区瓦斯极可能涌向工作面或相邻巷道，从而造成瓦斯超限，存在严重的安全隐患，必须及时治理。山西兰花煤层气有限公司是兰花集团控股的股份制公司，主营从事瓦斯治理、煤层气开发利用等技术服务工作，受集团公司委托对大宁煤矿井下采空区瓦斯超限问题进行治理。

1 工作面概况

大宁煤矿煤炭储量约为2.16亿吨，设计生产能力为400万吨/年，主采3#煤层。301工作面长1651 m，宽245 m，倾斜长175 m。3#煤层厚3.0～5.5 m，一般4.7 m左右，煤层结构比较简单，有2～4层不稳定夹矸，厚度0.05～0.15 m不等，煤层倾角2°～8°，平均倾角为5°。具体岩性情况如下：

伪顶：0～0.3 m，炭质泥岩，厚度和分布范围不稳定；

直接顶：泥岩、粉砂岩、中砂岩、细砂岩互层组成的复合顶板，厚10～13.0 m，岩性变异性较大，垂直裂隙和层理发育；

老顶：以中厚层砂岩为主，夹薄层泥岩，正常区段稳定性较好。

301工作面采用两进一回的Y形通风方式，主进风巷与运料巷为进风巷，运料巷沿空留巷部分为回风巷，如图1所示。主进风巷压能高于副进风巷压能，因此采空区聚集的高浓度瓦斯容易涌向回风巷，造成瓦斯超限。301工作面上覆5#煤层具有突出危险性，5#煤层受301保护层采动影响，瓦斯会大量涌向301工作面采空区，造成瓦斯超限，严重影响了301工作面回采速度，必须及时进行治理。本文采用理论分析与数值模拟，对各种均压抽放法抑制Y形通风条件下采空区瓦斯涌出的方案进行可行性研究，并经现场试验确定了合理的实施方案。

图1 301工作面布置及密闭位置示意图

2 均压抽放采空区瓦斯模拟试验

2.1 均压抽放采空区瓦斯原理

均压抽放的实质是通过密闭采空区改变主进风巷漏风和采空区两侧风压，进而改变采空区瓦斯分布，同时配以移动泵采空区埋管进行瓦斯抽放，调节采空区两侧压能，从而达到减少采空区瓦斯涌向回风巷的目的。本文针对301工作面具体情况，数值模拟分析各种均压抽放方案的瓦斯治理效果，确定最优方案。

2.2 均压抽放采空区瓦斯模拟

2.2.1 建立计算模型

研究对象取自采空区开切眼部分沿走向100 m，采空区沿倾向150 m区域内，如图2所示。由于采空区深部已经被基本压实，孔率平均取0.1。通风方式采用“两进一回”Y形通风方式。巷道宽约为3.4 m，风量1120 m3/min。

图2 计算区域物理模型

2.2.2 模拟参数

风量按照断面面积进行折算，由于抽放条件下前方瓦斯会沿左侧不断进行补给，为了简化计算过程，区域内瓦斯涌出源项按照瓦斯涌出总量25 m3/min进行折算。回风巷风流采用κ-ε双方程紊流模型，采空区风流为层流模型。煤体耗氧速率取1.52×10-5kg/（m3·s），抽放负压取10 kPa。在抽放条件下，抽放口会将两进风口空气吸入，达不到均压抽放瓦斯的效果，应考虑在相应的巷道两侧设置密闭墙。

2.2.3 模拟结果分析

（1）A和D处设置密闭墙

A和D处同时布置密闭墙，可得“两外墙”方式下瓦斯分布计算情况，抽放口瓦斯主要来自采空区下部。主要原因是在抽放条件下，抽放口至运料巷的区域中存在低压区，运料巷中的空气在压差的作用下穿过采空区流入抽放口，干扰瓦斯抽放效果，导致工作面的大量风流向采空区泄露。

同理，从A，C、D处同时布置密闭墙时的瓦斯分布状态可知，这种方案也不能阻止运料巷空气流入抽放口，因此为提升均压抽放效果，须缩减上部进风口与抽放口之间的压力以减少漏风。

（2）在B和C处设置密闭墙

基于上述分析结论，考虑将密闭墙布置在B和C处，即“两内墙”方式，从得到的瓦斯分布情况可知，在没有外墙封闭的情况下，进风巷距抽放口较近，并且会对抽放口产生直接的干扰作用，风流穿过采空区，绕过内墙流入抽放口，导致抽放浓度偏低。

同理，在开切眼同时安装内墙、外墙，即在A、B和C处布置密闭墙，也会导致上述情况发生。因此无论哪种布置方式，必须在主进风巷与工作面的交汇处（D处）设置密闭墙，将留巷封闭。

（3）A、B、C和D处同时布置密闭墙

从瓦斯浓度计算结果可知，采空区漏风主要分两部分，即主进风巷绕过密闭墙进入采空区，然后进入放口；回风巷内空气进入采空区，沿开切眼进入抽放口。由于在B处加装密闭墙，在运料巷和抽放口之间起到了均压作用，运料巷向抽放口的漏风小于其他布置方式，主进风巷也不会对抽放口产生干扰作用。在B处和C处布置内墙可促使抽放负压比较集中，不会造成额外沿程损失，抽放浓度比较高，优于其他布置方式。

2.2.4 均压密闭方案选择

通过理论计算与Fluent数值模拟看出，在A、B、C和D处同时布置密闭墙能起到均压的作用，即在留巷与切眼交汇处的两侧，主进风巷与工作面交汇处、开切眼与回风巷交汇处分别设置密闭墙，同时在留巷一侧安装移动泵，埋管抽放采空区的瓦斯，降低主进风巷采空区侧压，改变采空区中的瓦斯流向，抑制采空区瓦斯涌向回风巷，从而起到杜绝回风巷瓦斯超限的目的。

2.3 现场实践应用

为防止由于漏风而引起的采空区自燃发火，采用束管监测系统对采空区气体成分进行采样、监测。一旦发现采空区气体成分出现异常变化，尤其是CO气体浓度明显增加，应立刻停止抽放，分析原因，采取相对应的防火、灭火措施。同时应加强瓦斯抽放浓度监测，若瓦斯抽放浓度低于20%，为保证抽放效果应停止抽放。

3 效果分析

均压抽放瓦斯的方案，在301工作面采空区现场应用取得了显著的效果，采空区瓦斯抽放浓度维持在26%以上，瓦斯抽放纯量为7.5 m3/min时，回风巷瓦斯浓度明显降低，由均压密闭墙进行抽放前的平均0.53%，降低为平均0.28%，风排瓦斯量减少了2.35 m3/min。

4 结论

（1）采用模拟对比的方法分析了不同均压抽放方案的优缺点，确定了均压抽放法抑制采空区瓦斯涌出的具体方案。在主进风巷留巷与开切眼交汇处的两侧，主进风巷与回采面交汇处、开切眼留巷与回风巷留巷交汇处分别进行密闭，同时安装移动泵在主进风巷留巷一侧采空区埋管抽放瓦斯。

（2）现场应用得到301工作面采空区瓦斯抽放纯量为7.5 m3/min左右，抽放浓度维持在26%以上（Y形回风巷瓦斯浓度），均压密闭抽放前平均0.53%降低为平均0.28%，风排瓦斯量减少了2.35 m3/min，消除了Y形回风巷瓦期超限的安全隐患。