工作面Y 型通风方式下采空区瓦斯与煤自燃耦合分析

冯艳兵

（西山煤电马兰矿，山西 古交 030200）

在煤矿正常生产中，工作面回风巷上隅角瓦斯积聚极易造成瓦斯浓度超限，给工作面高效开采带来了极大的安全隐患。上隅角瓦斯积聚主要是由工作面漏风风流将采空区的瓦斯裹携至回风巷造成的，目前一般采用改变通风方式、增加供风量以及采空区埋管抽采瓦斯的方式解决工作面回风巷上隅角瓦斯积聚问题[1-5]。马兰矿10604 工作面轨道巷采用充填沿空留巷的方式保留下来，可使10604 工作面形成Y 型通风。以此为背景，进行马兰矿10604工作面Y 型通风方式下采空区瓦斯与煤自燃耦合模拟分析，为该工作面及类似条件下工作面瓦斯与煤自燃治理提供参考。

1 工程背景

马兰矿10604 工作面位于南六采区左翼，属于+910 m 水平，工作面埋深415～468 m。10604 工作面西南方向为南六采区下山巷道，东南方向和东北方向均为采空区，西北方向为10602 工作面。工作面开采02#煤层，煤层平均厚度2.25 m，平均倾角2°。煤层直接顶为厚度3.40 m 的灰黑色粉砂质泥岩，老顶为厚度3.10 m 的灰色粉砂岩，老底为厚度2.08～3.30 m 的灰白色细砂岩。地质资料显示，10604 工作面所在区域02#煤层原始瓦斯含量为6.4 m3/t，预计经预抽后回采前残余瓦斯含量4.0 m3/t。根据矿井及采区规划，马兰矿10604 工作面轨道巷采用充填沿空留巷的方式保留下来，使10604 工作面形成Y 型通风（两进一回，10604 工作面轨道巷、皮带巷进风，10604 工作面专用回风巷回风）。工作面采掘工程示意图如图1。

图1 工作面采掘工程示意图

2 采空区瓦斯与煤自燃耦合模拟分析

以马兰矿10604 工作面采用Y 型通风方式下为背景，进行采空区瓦斯与煤自燃耦合模拟分析，为本工作面及类似条件下工作面瓦斯与煤自燃治理提供参考，本次模拟采用COMSOL 多场仿真模拟软件进行。

2.1 不同风量下采空区瓦斯分布特征分析

马兰矿10604 工作面实际供风量为1320 m3/min，采用不同供风比进行模拟分析采空区瓦斯分布特征。如图2 给出了供风比分别为0.5、0.75、1、1.25、1.5 时采空区瓦斯分布情况。由图2 可知，随着供风比的增加，采空区瓦斯体积分数呈先降低后增加的趋势，采空区内高瓦斯范围逐渐远离工作面。对于采空区瓦斯体积分数来说，从0.5 增加至1.25时，随着供风比增加采空区瓦斯体积分数降低；其中0.5 增加至1 时，采空区瓦斯体积分数出现显著下降；当供风比由1.25 增加至1.5 时，采空区瓦斯体积分数出现了小幅度的增加。

图2 不同供风比时采空区瓦斯分布情况

图3 给出了供风比分别为0.5、0.75、1、1.25、1.5时工作面内瓦斯体积分数分布曲线（X 轴为距工作面进风巷的距离）。由图3 可知，在一定范围内，随着与进风巷之间的距离增加，工作面内瓦斯体积分数也呈现先增加后降低的态势。工作面瓦斯体积分数出现显著下降发生在距工作面回风巷小于20 m范围，供风比为0.5 时，工作面瓦斯体积分数最大值约1.91%；供风比为1.25 时，工作面瓦斯体积分数最大值约0.23%，相对降低1.68%，这是由于供风比0.5～1.25 范围内，风流裹携的瓦斯量小于采空区瓦斯涌出量；供风比为1.5 时，工作面瓦斯体积分数最大值约0.26%，这是由于漏风增加，漏风风流导致采空区瓦斯涌出量增加。

图3 不同供风比时工作面内瓦斯体积分数分布曲线

2.2 采空区遗煤自然发火期的影响因素分析

自然发火期是指以揭露煤层起至发生自然发火为止的时间[6]，马兰矿10604 工作面不同推进速度下采空区遗煤自然发火期与风速的关系曲线如图4所示。由图4 可知，当10604 工作面推进速度保持一定时，随着工作面风速增加，马兰矿10604 工作面采空区的自然发火期逐渐变短。工作面风速从0.8 m/s 增加到2.0 m/s 时，采空区遗煤自然发火期显著降低。这是由于工作面风速增加，进入采空区的漏风量增加，大量的氧气进入采空区，遗煤氧化区域范围增加，采空区遗煤发生自燃的可能性增加，这就导致了采空区遗煤自然发火期逐渐变短，之后随着工作面风速继续增加，采空区遗煤自然发火期逐渐趋于稳定。在10604 工作面风速保持一定时，随着工作面推进速度的增加（从3 m/d 增加到12 m/d时），马兰矿10604 工作面采空区的自然发火期逐渐增加。

图4 遗煤自然发火期与推进速度、风速的关系曲线

2.3 埋管抽采对采空区氧化带的影响分析

为解决马兰矿10604 工作面上隅角瓦斯超限的问题，采用采空区埋管抽采的方法进行抽采瓦斯。由于采用埋管抽采采空区瓦斯时，导致采空区回风侧的负压增加，工作面向采空区的漏风量也随之增加。因此，采空区氧化带范围随着瓦斯抽采流量的增加而逐渐增加。当瓦斯抽采流量为20 m3/min 时，采空区氧化带宽度约159 m；瓦斯抽采流量增加到50 m3/min 时，采空区氧化带宽度增加至192 m；瓦斯抽采流量增加到80 m3/min 时，采空区氧化带宽度增加至205 m。

3 现场应用

采用数值模拟的方法模拟了马兰矿10604 工作面推进速度为6 m/d、供风比为1、瓦斯抽采流量为40 m3/min 时的工作面瓦斯分布特征，见图5 中实线所示。同时，在马兰矿10604 工作面采用Y 型通风及采空区埋管抽采（瓦斯抽采流量为40 m3/min）的方式进行治理工作面上隅角瓦斯超限问题，并进行了现场测试，如图5 中实心点所示。根据马兰矿10604 工作面倾向方向的瓦斯体积分数的模拟结果和测试结果对比（图5），马兰矿10604 工作面瓦斯体积分数模拟结果与实际结果吻合性良好，误差小于5%；10604 工作面瓦斯体积分数随着与进风巷之间的距离增加呈现先增加后降低的态势；工作面上隅角瓦斯体积分数最大值小于0.2%；采空区氧化带宽度控制在128～145 m 范围。表明马兰矿10604工作面采用Y 型通风及埋管抽采可有效解决工作面上隅角瓦斯超限和遗煤自燃问题。

图5 工作面瓦斯体积分数分布特征

4 结论

以马兰矿10604 工作面Y 型通风为工程背景，模拟分析了不同风量下采空区瓦斯分布特征、采空区遗煤自然发火期的影响因素以及埋管抽采对采空区氧化带的影响。分析表明，一定范围风量的增加可显著降低采空区瓦斯体积分数，工作面风速或推进速度增加均可降低采空区遗煤自然发火期，而采空区氧化带范围随着瓦斯抽采流量的增加而逐渐增加。数值模拟和现场应用结果均显示，推进速度为6 m/d、供风量为1320 m3/min、瓦斯抽采流量为40 m3/min 时，工作面上隅角瓦斯体积分数最大值小于0.2%，采空区氧化带宽度控制在128～145 m 范围，表明采用Y 型通风及埋管抽采可有效解决马兰矿10604 工作面上隅角瓦斯超限和遗煤自燃问题。