下行通風綜采工作面煤與瓦斯協調開采實踐理論研究

張強 宋宏林 鞏紅林

摘 ?要：隨著礦井開采時間的增長，開采深度的增加，許多單一災害的礦井正慢慢轉變成復合型災害礦井。同時受到地質條件的制約、減災抗災實際的需要及礦井生產接續緊張的影響，少部分工作面在設計上不得不將原有采取的上行通風方式改變為下行通風方式，這就為采煤工作面在煤與瓦斯協調開采提出了新的難題。通過科學研究大興礦N1201綜采工作面采取下行通風的可行性，并在回采期間對工作面瓦斯涌出規律和現場治理實踐進行分析總結，有效的解決了N1201綜采工作面瓦斯治理技術方面的難題，緩解了礦井接續緊張的現狀，為今后下行通風綜采工作面的安全順利回采積累了寶貴的經驗。

關鍵詞：下行通風;協調開采;瓦斯治理;數值模擬

中圖分類號：TD712文獻標志碼：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

大興礦屬于復合型災害礦井，煤與瓦斯突出、防滅火、瓦斯治理及防沖等災害比較嚴重。隨著開采時間的延長，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，易造成工作回風順槽和上隅角的瓦斯超限，對安全生產帶來嚴重威脅。同時受到地質條件的制約、減災抗災實際的需要及礦井生產接續緊張的影響，少部分無突出危險的工作面在設計上不得不將原有采取的上行通風方式改變為下行通風方式，這就為采煤工作面在煤與瓦斯協調開采提出了新的難題。綜采工作面的通風方式的布置，對采空區漏風、采空區瓦斯涌出及工作面的防火等有著顯著關系，所以研究下行通風在工作面瓦斯治理及防火方面的客觀規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。

2 N1201工作面基本概況

N1201工作面位于北一采區西部，工作面可采走向長度為522米、寬度為190米，東側靠近F/43號斷層;西側靠近F/4號采區邊界斷層;南側為采區煤柱;北側為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工作面煤層工業牌號為長焰煤，煤層的實際厚度在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，煤層的發火期在1～3個月之間，煤塵爆炸指數為28.48%。根據4、7煤層采掘實見，本工作面不受火成巖構造影響;下部4-2、7-2煤層已回采完畢，處于被保護區，經瓦斯地質分析，認為本工作面為無突出危險區。

3 N1201工作面采用下行通風可行性分析

3.1 工作面下行通風瓦斯運移規律概況

針對N1201工作面地質條件及采空區氣體流動的特性差異，同時結合瓦斯擴散運移特性規律，創建Navier-Stoke方程作為瓦斯流動運移模型，利用Navier-Stoke方程軟件對綜采工作面采空區瓦斯運移規律進行數值模擬，在參考數值模擬結果制定工作面瓦斯治理方案。

利用Navier-Stoke方程和Brinkman方程，就可以形象的構建出N1201工作面采空區瓦斯流動的具體模型，同時還能夠體現出工作面及采空區內瓦斯流動的速度和壓力的分布情況。Navier-Stoke方程和Brinkman方程應用條件為：在工作面煤壁上的氣體的速度為0，應對的是煤壁為無滑移邊界，工作面運順的配風量是可以測得的，巷道的中心線可以應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和下行通風的不同形式下，采空區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，采用下行通風后采空區的瓦斯涌出量明顯減少，回風側上隅角的瓦斯濃度明顯降低。

3.2 N1201工作面瓦斯運移規律合理性分析

通過建立下行通風工作面瓦斯運移規律的數值模擬模型可以看出，工作面的瓦斯涌出與工作面的通風方式有著密切的聯系。采用上行通風時采空區瓦斯在工作面上隅角附近高度聚積并涌向工作面及回順;采用下行通風時，采空區上隅角和下隅角兩側靠近工作面附近的瓦斯濃度均有所降低，但靠近下隅角一側的瓦斯聚積比較明顯。

4 N1201工作面回采期間各項措施及效果

4.1 工作面配風量的確定

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

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瓦斯;在回順接設兩趟6寸膠管利用低濃抽采系統治理上隅角瓦斯;在運順鉆場施工斜交鉆孔和在采空區埋設4寸管路抽采下隅角采空區瓦斯;利用外圍系統抽采N1403瓦斯道閉治理下層采空區卸壓瓦斯等。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瓦斯治理問題。

4.3 N1201工作面采取“人機”雙管雙防機制

N1201工作面除了采取“合理配風”和“應抽盡抽”的防治理念外，加強生產期間的檢查監控也尤為重要。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行重點檢查，尤其是下隅角前30組支架，發現瓦斯異常情況及時調整抽采系統進行處理。同時在工作面下隅角安設甲烷傳感器和懸掛氧氣便攜，并實現瓦斯超限斷電功能，防止在工作面下隅角出現瓦斯積聚隱患。N1201工作面在回采期間，工作面風流的瓦斯濃度在0.10%～0.20%之間，上隅角瓦斯濃度在0.10%～0.50%之間，下隅角瓦斯濃度在0%～0.20%之間，均保持在安全范圍內。

4.4 合理設計埋管布局，實現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，將采空區注氮防火與抽采瓦斯埋管相結合，利用不燃材料事先對采空區進行充填封堵隔斷，使之在工作面采空區下隅角0～15m范圍內構成一個“空間抽采”氣室，通過預埋管路對采空區瓦斯進行抽采。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瓦斯的問題，又保證了對采空區注氮防火影響的最小化，實現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瓦斯運移及涌出規律的研究和分析可以得出，采空區瓦斯主要來源于采空區遺留浮煤、頂板裂隙卸壓瓦斯、下臨近層采空區卸壓瓦斯這三個方面。因此在工作面實際回采過程中，有針對性的采取一系列措施，很好的解決了下行通風綜采工作面瓦斯超限的問題，并取得以下經驗體會。

（1）工作面采用下行通風的方式，工作面的配風量及風速要控制在一個合適的范圍，否則會產生頂板層流從而出現瓦斯積聚，合理配風是下行風工作面瓦斯治理的基礎條件。

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

（3）工作面采用下行通風方式，減少了采空區瓦斯涌出量和漏風量，并且通過采空區瓦斯分布規律模擬可以看出，采用下行通風后，靠近采煤工作面附近采空區內的瓦斯濃度明顯降低，有效的解決了“U”型通風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的方式，回采過程中空氣質量較好，減少工作面作業人員受到生產煤塵的危害。

（5）工作面采用下行通風的方式，通過加強回采期間的瓦斯抽采、監測監控和通風瓦斯管理等措施，能夠實現工作面的安全回采。

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

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