采煤工作面瓦斯运移规律数值研究

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[摘 要]为提高采煤工作面瓦斯治理效果，本文通过理论分析和数值模拟的方法研究了后退式不同工作面通风系统瓦斯的运移规律。研究结果表明：U型通风系统的治理重点是上隅角；W型通风系统治理重点位置应是回风巷道与工作面交汇处；Y和Z型通风系统应重点监测回风平巷瓦斯浓度。研究成果可为煤矿采场瓦斯治理提供理论指导。

[关键词]正交实验；循环风幕；阻隔效果；数值实验；出入口间距

中图分类号：TD726 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0028-01

0 引言

瓦斯是威胁煤矿安全生产的重要因素。煤矿井下掘进和采煤工作面是人员最为集中且最易发生瓦斯事故的工作地点。国内外针对此方面的研究较多：屈花荣针对综采工作面初采期间风排瓦斯的涌出量规律做了数理统计研究[1]，吴应山结合回采工作面通风系统优化方案分析了工作面瓦斯治理的方法[2]，高祥春介绍了高位孔抽放技术[3]，朱昊利用TDLAS技术实现了工作面瓦斯浓度的远程监控[4]。上述研究大多只是正对一种工作面通风系统进行分析，少有全面分析各种工作面通风系统下瓦斯的运移规律，本文通过理论分析和数值分析的手段，详细分析U、W、Y、Z四种常见工作面通风系统下的瓦斯运移规律，并阐述了各中通风系统的优缺点。可为煤矿瓦斯治理提供理论指导。

数值模型的建立主要考虑煤体采空区瓦斯渗流和巷道风流内的瓦斯运移，前者使用Darcy描述，后者使用自由N-S方程描述，两者接触处设置压力和风速相等的边界条件。

1 U型工作面通风系统

U型工作面是国内煤矿生产最为普遍采用的布置方式。如图1所示，风流由下部的运输顺槽流入，经过采煤工作面从上部回风顺槽流出。此工作面由于采空区具有一定的孔隙率和渗透率，因此可将其视为多孔介质渗流体，下部顺槽部分风流会通过下端头流入采空区，并携带部分瓦斯气体从工作面上隅角流出，而且由于上隅角风流易产生涡流非常容易造成瓦斯的超限。从图1明显可见上隅角瓦斯浓度较高，且大部分来自于后部采空区，针对此类工作面可采用倾向风障、导风板、均压等方法处理。

2 W型工作面通风系统

W型是双工作面布置，风流由上下顺槽流入，从中部回风顺槽流出。由图2可见上下顺槽新鲜风流流入了采空区携带遗煤释放的瓦斯集中从工作面中部顺槽流出。W型工作面相比U型工作面由于新鲜风流直接压入上下隅角，因此，瓦斯含量在此处相对较低。此外，W型工作面由于风路短，新鲜风流漏风到采空区的量较少更有利于降低工作面瓦斯浓度，可在中部顺槽布置抽放孔，增强瓦斯的抽放工作。

3 Y型工作面通风系统

Y型工作面是在U型的基础增加一条沿空留巷，风流主要从下顺槽进入工作面，上顺槽也通入部分新鲜风流，两风流均汇集到采空区上方巷道流出。由图3流线可见在上隅角处有上顺槽新鲜风流流经，工作面漏风经过采空区带出的瓦斯气体恰好被上顺畅新鲜风流逼入回风顺槽，有效的解决了上隅角瓦斯聚集的问题。采空区内瓦斯均流向其上部回风巷道。

4 Z型工作面通风系统

Z型工作面的风流是由下顺槽流入，经过工作面后直接进入上部回风顺槽，与U型相比，其回风顺槽布置在了采空区一侧。由图4可见风流从流入到流出时为顺向路径，工作面通风阻力较小，且工作面内瓦斯均向回风顺槽流动，但若采空区瓦斯浓度较高时，回风巷道易发生瓦斯超限，因此，可在该巷道内布置抽放系统。

5 结论

煤矿瓦斯治理是煤矿安全生产的重要工作，采煤工作面瓦斯浓度控制更是重中之重，因此，深入了解各种不同通风系统的瓦斯运移规律极为必要。利用数值模拟的方法可以清晰展现和了解瓦斯的分布规律，找到各种通风系统下瓦斯治理的工作要点和处理方法。本文针对后退式工作面的UWYZ四种工作面进行了模拟并得到以下几点结论：

1） U型工作面上隅角是瓦斯治理的重点，应加强此处的通风管理，减少新鲜风流向采空区内的渗漏。

2） W型工作面中部回风顺槽是瓦斯治理的重点，可在此巷道内设置抽放系统，从实验结果可见中部顺槽与工作面交汇处瓦斯浓度最高。

3） Y型工作面采空区侧回风巷道内的瓦斯浓度较高，需要加强管理，但相对U，W型工作面采空区的瓦斯不会流入工作面人员聚集区域。

4） Z型工作面采场内所有瓦斯均汇集到了回风巷道，相比Y型工作面回风巷瓦斯浓度更高，因此，回风顺槽的瓦斯管理是重点，防止采空区突发性瓦斯浓度上升，造成回风巷道超限。

参考文献

[1] 屈花荣.桑树坪煤矿4216 综采工作面初采期间风排瓦斯涌出量的统计分析[J].中国科技博览，2013（35）：366-366.

[2] 吴应山.王台铺煤矿回采工作面通风系统优化方案分析[J].中国科技博览， 2013（35）：336-337.

[3] 高祥春.施工瓦斯高抽孔抽放瓦斯保证安全生产[J].中国科技博览， 2013 （34）：386-386.

[4] 朱昊，彭嘉伟.基于TDLAS 的气体远程测量技术在采煤机瓦斯保护上的应用研究[J].中国科技博览，2013（34）：534-535.

作者简介

石春（1972年），男，汉，矿山机电专业，工程师，现任淮南佳贝公司新疆分公司总经理，鄯善红湖子曙光煤矿法定代表人，主要从事煤矿企业管理工作。