下行通風(fēng)綜采工作面煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采實(shí)踐理論研究

張強(qiáng) 宋宏林 鞏紅林

摘 ?要：隨著礦井開采時(shí)間的增長，開采深度的增加，許多單一災(zāi)害的礦井正慢慢轉(zhuǎn)變成復(fù)合型災(zāi)害礦井。同時(shí)受到地質(zhì)條件的制約、減災(zāi)抗災(zāi)實(shí)際的需要及礦井生產(chǎn)接續(xù)緊張的影響，少部分工作面在設(shè)計(jì)上不得不將原有采取的上行通風(fēng)方式改變?yōu)橄滦型L(fēng)方式，這就為采煤工作面在煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采提出了新的難題。通過科學(xué)研究大興礦N1201綜采工作面采取下行通風(fēng)的可行性，并在回采期間對工作面瓦斯涌出規(guī)律和現(xiàn)場治理實(shí)踐進(jìn)行分析總結(jié)，有效的解決了N1201綜采工作面瓦斯治理技術(shù)方面的難題，緩解了礦井接續(xù)緊張的現(xiàn)狀，為今后下行通風(fēng)綜采工作面的安全順利回采積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：下行通風(fēng);協(xié)調(diào)開采;瓦斯治理;數(shù)值模擬

中圖分類號：TD712文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）32-0050-02

Abstract： With the increase of mining time and mining depth， many single disaster mines are gradually transformed into compound disaster mines. At the same time， due to the restriction of geological conditions， the actual needs of disaster reduction and resistance and the continuous tension of mine production， a small number of working faces have to change the original upstream ventilation mode to downward ventilation mode in design. This posed a new problem for the coordinated mining of coal and gas in coal mining face. Through the scientific study of the feasibility of adopting downward ventilation in N1201 fully mechanized mining face of Daxing Coal Mine， and analyzing and summarizing the gas emission law and on-site control practice of the working face during the mining period， it effectively solves the technical problems of gas control in N1201 fully mechanized mining face， alleviates the current situation of continuous tension in the mine， and accumulates valuable experience for the safe and smooth mining of downdraft fully mechanized mining face in the future.

Keywords： downward ventilation; coordinated mining; gas control; numerical simulation

1 概述

大興礦屬于復(fù)合型災(zāi)害礦井，煤與瓦斯突出、防滅火、瓦斯治理及防沖等災(zāi)害比較嚴(yán)重。隨著開采時(shí)間的延長，開采深度的增加，煤層瓦斯含量也再不斷增大，這就造成綜采工作面回采期間瓦斯涌出量也隨之升高，易造成工作回風(fēng)順槽和上隅角的瓦斯超限，對安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。同時(shí)受到地質(zhì)條件的制約、減災(zāi)抗災(zāi)實(shí)際的需要及礦井生產(chǎn)接續(xù)緊張的影響，少部分無突出危險(xiǎn)的工作面在設(shè)計(jì)上不得不將原有采取的上行通風(fēng)方式改變?yōu)橄滦型L(fēng)方式，這就為采煤工作面在煤與瓦斯協(xié)調(diào)開采提出了新的難題。綜采工作面的通風(fēng)方式的布置，對采空區(qū)漏風(fēng)、采空區(qū)瓦斯涌出及工作面的防火等有著顯著關(guān)系，所以研究下行通風(fēng)在工作面瓦斯治理及防火方面的客觀規(guī)律對今后類似工作面保證安全順利的回采有著極其重要的參考依據(jù)。

2 N1201工作面基本概況

N1201工作面位于北一采區(qū)西部，工作面可采走向長度為522米、寬度為190米，東側(cè)靠近F/43號斷層;西側(cè)靠近F/4號采區(qū)邊界斷層;南側(cè)為采區(qū)煤柱;北側(cè)為2-3煤層最低可采邊界線;該工作面下鄰4-2煤層，平均煤厚為2.68米，大部分已回采。2-3煤層與4-2煤層間距在38.32～45.85米之間，一般為42.56米。N1201工作面煤層工業(yè)牌號為長焰煤，煤層的實(shí)際厚度在0.80米～2.24米之間，平均厚度為1.95米。通過煤層自然傾向性測定，煤層的發(fā)火期在1～3個(gè)月之間，煤塵爆炸指數(shù)為28.48%。根據(jù)4、7煤層采掘?qū)嵰姡竟ぷ髅娌皇芑鸪蓭r構(gòu)造影響;下部4-2、7-2煤層已回采完畢，處于被保護(hù)區(qū)，經(jīng)瓦斯地質(zhì)分析，認(rèn)為本工作面為無突出危險(xiǎn)區(qū)。

3 N1201工作面采用下行通風(fēng)可行性分析

3.1 工作面下行通風(fēng)瓦斯運(yùn)移規(guī)律概況

針對N1201工作面地質(zhì)條件及采空區(qū)氣體流動的特性差異，同時(shí)結(jié)合瓦斯擴(kuò)散運(yùn)移特性規(guī)律，創(chuàng)建Navier-Stoke方程作為瓦斯流動運(yùn)移模型，利用Navier-Stoke方程軟件對綜采工作面采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，在參考數(shù)值模擬結(jié)果制定工作面瓦斯治理方案。

利用Navier-Stoke方程和Brinkman方程，就可以形象的構(gòu)建出N1201工作面采空區(qū)瓦斯流動的具體模型，同時(shí)還能夠體現(xiàn)出工作面及采空區(qū)內(nèi)瓦斯流動的速度和壓力的分布情況。Navier-Stoke方程和Brinkman方程應(yīng)用條件為：在工作面煤壁上的氣體的速度為0，應(yīng)對的是煤壁為無滑移邊界，工作面運(yùn)順的配風(fēng)量是可以測得的，巷道的中心線可以應(yīng)用工作面的對稱邊界條件，回順巷道的平均壓力是可以測定的。通過上述的方程，可以模擬出工作面在采用上行通風(fēng)和下行通風(fēng)的不同形式下，采空區(qū)瓦斯分布情況的三維空間分布圖。通過圖形可以很明顯的看出，采用下行通風(fēng)后采空區(qū)的瓦斯涌出量明顯減少，回風(fēng)側(cè)上隅角的瓦斯?jié)舛让黠@降低。

3.2 N1201工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律合理性分析

通過建立下行通風(fēng)工作面瓦斯運(yùn)移規(guī)律的數(shù)值模擬模型可以看出，工作面的瓦斯涌出與工作面的通風(fēng)方式有著密切的聯(lián)系。采用上行通風(fēng)時(shí)采空區(qū)瓦斯在工作面上隅角附近高度聚積并涌向工作面及回順;采用下行通風(fēng)時(shí)，采空區(qū)上隅角和下隅角兩側(cè)靠近工作面附近的瓦斯?jié)舛染兴档?，但靠近下隅角一?cè)的瓦斯聚積比較明顯。

4 N1201工作面回采期間各項(xiàng)措施及效果

4.1 工作面配風(fēng)量的確定

采取“U”通風(fēng)方式綜采工作面，運(yùn)、回順兩端的存在壓差是風(fēng)流流動的內(nèi)在原因，其中一部分是機(jī)械風(fēng)壓，一部分是采空區(qū)的自然風(fēng)壓，工作面的風(fēng)流方向總是從壓差高的一端進(jìn)入采空區(qū)，從壓差低的一端流出采空區(qū)。而采用下行通風(fēng)的工作面與上行通風(fēng)的工作面相比，運(yùn)、回順兩端壓差要低，這樣可以降低采空區(qū)的漏風(fēng)量，因此采用下行通風(fēng)工作面的配風(fēng)量也比上行通風(fēng)的工作面配風(fēng)小?；谏鲜銮闆r，N1201工作面配風(fēng)量控制在900～1000m3/min之間，結(jié)合工作面在回采過程中瓦斯變化情況及最大風(fēng)排量瓦斯量上看，回風(fēng)瓦斯一般在0.3%～0.5%之間，風(fēng)排瓦斯量在2.7～4.5m3/min之間，充分滿足工作面生產(chǎn)的實(shí)際需要。

4.2 N1201工作面抽采方式的確定

工作面回采期間采取“多元”瓦斯抽采的治理理念，在回順鉆場向工作面施工斜交鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯;在回順接設(shè)兩趟6寸膠管利用低濃抽采系統(tǒng)治理上隅角瓦斯;在運(yùn)順鉆場施工斜交鉆孔和在采空區(qū)埋設(shè)4寸管路抽采下隅角采空區(qū)瓦斯;利用外圍系統(tǒng)抽采N1403瓦斯道閉治理下層采空區(qū)卸壓瓦斯等。N1201工作面回采期間最大日絕對瓦斯涌抽采量為15.27m3/min，運(yùn)順瓦斯抽采斜交鉆孔濃度均在35%以上，有效的解決了采空區(qū)瓦斯治理問題。

4.3 N1201工作面采取“人機(jī)”雙管雙防機(jī)制

N1201工作面除了采取“合理配風(fēng)”和“應(yīng)抽盡抽”的防治理念外，加強(qiáng)生產(chǎn)期間的檢查監(jiān)控也尤為重要。工作面回采期間安排專職瓦檢員對工作面前后30組支架的前梁、架間及煤壁的頂板瓦斯進(jìn)行重點(diǎn)檢查，尤其是下隅角前30組支架，發(fā)現(xiàn)瓦斯異常情況及時(shí)調(diào)整抽采系統(tǒng)進(jìn)行處理。同時(shí)在工作面下隅角安設(shè)甲烷傳感器和懸掛氧氣便攜，并實(shí)現(xiàn)瓦斯超限斷電功能，防止在工作面下隅角出現(xiàn)瓦斯積聚隱患。N1201工作面在回采期間，工作面風(fēng)流的瓦斯?jié)舛仍?.10%～0.20%之間，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.10%～0.50%之間，下隅角瓦斯?jié)舛仍?%～0.20%之間，均保持在安全范圍內(nèi)。

4.4 合理設(shè)計(jì)埋管布局，實(shí)現(xiàn)瓦斯防火治理一體化

N1201工作面采取了“雙隔斷”抽注一體化的埋管布局，將采空區(qū)注氮防火與抽采瓦斯埋管相結(jié)合，利用不燃材料事先對采空區(qū)進(jìn)行充填封堵隔斷，使之在工作面采空區(qū)下隅角0～15m范圍內(nèi)構(gòu)成一個(gè)“空間抽采”氣室，通過預(yù)埋管路對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。通過“雙隔斷”抽注一體化的埋管方式，既解決了下隅角采空區(qū)瓦斯的問題，又保證了對采空區(qū)注氮防火影響的最小化，實(shí)現(xiàn)了瓦斯治理和防滅火的雙向平衡。

5 心得體會

通過對N1201工作面回采期間采空區(qū)瓦斯運(yùn)移及涌出規(guī)律的研究和分析可以得出，采空區(qū)瓦斯主要來源于采空區(qū)遺留浮煤、頂板裂隙卸壓瓦斯、下臨近層采空區(qū)卸壓瓦斯這三個(gè)方面。因此在工作面實(shí)際回采過程中，有針對性的采取一系列措施，很好的解決了下行通風(fēng)綜采工作面瓦斯超限的問題，并取得以下經(jīng)驗(yàn)體會。

（1）工作面采用下行通風(fēng)的方式，工作面的配風(fēng)量及風(fēng)速要控制在一個(gè)合適的范圍，否則會產(chǎn)生頂板層流從而出現(xiàn)瓦斯積聚，合理配風(fēng)是下行風(fēng)工作面瓦斯治理的基礎(chǔ)條件。

（2）工作面采用下行通風(fēng)的方式，工作面的自然風(fēng)壓與采空區(qū)的自然風(fēng)壓方向正好相反，并且存在著相互抵消的情況，非常有利于抑制采空區(qū)的漏風(fēng)，縮小采空區(qū)漏風(fēng)帶和氧化帶的范圍，對于抑制采空區(qū)的自然發(fā)火有很大的輔助作用。

（3）工作面采用下行通風(fēng)方式，減少了采空區(qū)瓦斯涌出量和漏風(fēng)量，并且通過采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律模擬可以看出，采用下行通風(fēng)后，靠近采煤工作面附近采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛让黠@降低，有效的解決了“U”型通風(fēng)工作面上隅角瓦斯容易積聚和超限的問題。

（4）工作面采用下行通風(fēng)的方式，回采過程中空氣質(zhì)量較好，減少工作面作業(yè)人員受到生產(chǎn)煤塵的危害。

（5）工作面采用下行通風(fēng)的方式，通過加強(qiáng)回采期間的瓦斯抽采、監(jiān)測監(jiān)控和通風(fēng)瓦斯管理等措施，能夠?qū)崿F(xiàn)工作面的安全回采。

（6）對于生產(chǎn)接續(xù)緊張的礦井，如果不具備上行通風(fēng)的條件，也是一種可以考慮的方式，并且能夠很好的緩解礦井接續(xù)緊張的問題。

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