白 帆

（潞安集团余吾煤业公司，山西 长治 046000）

高瓦斯矿井回采工作面在生产过程中面临着瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯管理困难、采空区瓦斯异常涌出等难题，甚至发生瓦斯超限事故，严重影响工作面的正常生产[1-2]。余吾煤业为高瓦斯矿井，采空区瓦斯涌出量在总瓦斯涌出量中占比超过20%。随着矿井生产水平的延伸，通风距离增加，原有的U型通风方式也面临着越来越大的挑战。虽然加强了工作面本煤层瓦斯抽放措施[3]，并先后采取地面瓦斯抽采、采空区瓦斯排放、高抽巷抽采等措施[4]，但瓦斯治理效果仍达不到要求。因此，考虑通过优化通风方式解决瓦斯排放和工作面瓦斯浓度高的问题。

1 矿井概况

余吾煤业有限责任公司隶属于山西潞安集团，位于长治市屯留县，设计生产能力600 万t/a，目前核定生产能力为750 万t/a。该矿井田面积约161.205 km2，主采煤层为3#煤层，煤厚5.0～7.3 m，平均6.0 m，矿井资源储量13 亿t，可采储量达6.6亿t，平均埋深600 m。3#煤层瓦斯含量9.25 m³/t，瓦斯压力0.69 MPa，系高瓦斯矿井，相对瓦斯涌出量11.3 m³/t，绝对瓦斯涌出量36.2 m³/min。

2 通风方式概述

余吾煤业自2014 年开始采用U 型+高抽巷的通风方式并陆续在多个回采工作面实施，取得了一定效果，但仍然存在上隅角涡流导致瓦斯聚集、采空区瓦斯涌出量大、瓦斯抽采困难等缺点。

为解决U 型工作面通风加高抽巷回风方式存在的诸多弊端，通过对现场实际情况的分析，决定采用W 型通风方式取代U 型通风。即在工作面布置上、中、下三条巷道，采用两进一回或两回一进通风方式，增加总通风断面，减小回风阻力，使采空区瓦斯涌出量大幅度减少，同时提高风量，降低回风流瓦斯浓度，解决上隅角瓦斯管理的难题。通风系统差异如图1 所示。

图1 U 型通风和W 型通风示意图

3 通风方式对比分析

采空区瓦斯赋存可分为：漏风影响区、瓦斯滞留区和压实积聚区。其中瓦斯滞留区和压实聚集区内瓦斯在没有周期来压的情况下通常不会直接进入工作面，而漏风影响区内瓦斯会受到工作面通风负压影响涌入工作面。特别是U 型通风方式，工作面通风阻力较大，局部负压明显，采空区漏风量较大，还会造成上隅角处形成涡流，出现局部循环风，使瓦斯聚集。因此，减少采空区瓦斯涌出量最直接的方式是减小工作面的回风阻力或缩小漏风影响区的范围。由图2 可知，漏风影响区的大小与通风阻力和进（回）风长度关系密切，不同的通风形式产生的漏风影响区不同，瓦斯涌出量差异较大。W 通风系统中将采空区接近工作面的区域划分为两个漏风影响区，且由于通风阻力减小使其通风负压显著下降，在漏风影响区长度和U 型通风方式一致的情况下，使宽度明显缩小，减少了受通风影响的采空区面积，降低瓦斯涌出量。通风网络示意图如图3所示。

图2 采空区瓦斯赋存三带示意图

图3 两种通风系统通风网络示意图

在工作面长度、宽度以及风量配给不变的情况下，W 型通风阻力和U 型通风阻力计算公式见式（1）。

式中：fu为U 型通风方式通风阻力，Pa；fw为W 型通风方式通风阻力，Pa；r1为进回风巷道通风阻力，Pa ；r2为工作面的通风阻力，Pa。

根据式（1）对W 型通风方式与U 型通风方式的通风阻力比值进行计算，结果见式（2）。

由式（2）可知，工作面走向长度和倾向长度相同且配风量一定的情况下，W 型通风阻力仅为U型通风阻力的62.5%，降幅超过1/3，采空区的漏风量明显减少。

根据风阻和风量关系式H=RQ2，对风压相同情况下风量进行计算可得：

由式（3）可知，在工作面走向长度和倾向长度不变的情况下，风压为一定值时，W 型通风的风量为U 型通风风量的126%。

综上所述，同等条件下，W 型通风阻力为U 型通风阻力的62.5%。风压为一定值时，W 型通风风量为U 型通风风量的126%。因此，W 型通风可以缩小采空区受到通风负压的影响范围，同时能够显著降低回风流中的瓦斯浓度。

4 不同通风方式瓦斯浓度数值模拟

为进一步对工作面瓦斯运移规律进行研究，对工作面采空区不同位置瓦斯浓度进行预测，本次采用Gambit 构建物理模型，利用Fluent 软件开展数值模拟，并将结果通过Tecplot 软件进行处理，得到数值模拟结果。数值模拟的相关参数如下：工作面采空区的走向长度为100 m，倾斜长度为300 m，切眼宽度7 m，进回风巷道长度和宽度分别为10 m和3.5 m。数值模拟结果如图4 所示。

由图4（a）可知，U 型工作面上隅角处瓦斯积聚现象明显，回风侧高瓦斯区域范围较大，采空区50 m 内瓦斯含量较高（瓦斯浓度8%），最大浓度约13%。由图4（b）可知，W 型巷道布置情况下在采空区中部瓦斯积聚现象明显，采空区30 m 范围内瓦斯含量较高（瓦斯浓度8%），最大浓度约14%。通过分析可知，W 型通风方式可有效解决上隅角瓦斯管理难题，并能够明显缩小通风负压影响的采空区范围（长度减小20 m）。

图4 瓦斯浓度数值模拟

5 W 型通风方案及工作面瓦斯抽采设计

5.1 通风方案设计

通过对两种通风方式的分析可知，W 型通风方式在采空区瓦斯涌出量和工作面风量控制方面具有明显优势。因此，对5105 工作面通风系统进行优化，按照两进一回的方式布置进回风巷道，即巷道中部沿底板挖掘5105 回风巷进行回风，5105 进风巷和5105 胶带巷进风。5105 工作面W 型通风方式巷道布置图如图5 所示。

5.2 瓦斯抽采设计

5105 工作面煤层厚度较大，平均6.1 m，为了保证抽采效果，需要分层抽放。设计5105 胶带巷和进风巷进行上分层煤层瓦斯抽采，5105 回风巷进行下分层抽采。三条进回风巷道间距为120 m，松动圈瓦斯可自然排放，因此设计本煤层抽放钻孔长度110 m。在5105 回风巷设计迈步钻场施工顶板孔对采空区瓦斯进行抽采，防止中隅角瓦斯积聚。瓦斯抽采钻孔设计如图6 所示。

图5 5105 工作面W 型通风方式巷道布置图

图6 瓦斯抽采设计图

5.3 优化效果

将工作面通风方式由U 型改为W 型后，工作面风量明显提升，由1029 m3/min 增加为1255 m3/min。在优化抽采设计前后，对煤层进行了取样分析，残余瓦斯含量平均值由5.21 m3/t 下降为3.22 m3/t。在改变通风方式和优化抽采设计之后，工作面、上（中）隅角及回风巷瓦斯浓度分别由0.24%、0.66%和0.45%变为0.16%、0.38%和0.27%，瓦斯浓度显著降低。

6 结论

（1）在U 型通风方式下工作面上隅角通风负压最小，且易形成涡流，导致上隅角瓦斯积聚，是瓦斯管理的重点和难点。采用W 型通风方式后，上隅角瓦斯浓度显著降低，且中隅角由于风流汇集，瓦斯排放效率高，可减少瓦斯聚集的可能性。

（2）采用W 型通风方式后，工作面通风阻力减小37.5%，通风量可提高26%，且采空区影响范围缩小40%，大大提高了瓦斯排放效率，因此可适当增加工作面的宽度，提高回采效率。

（3）采用W 型通风方式后，需要掘进中间回风巷，但减少了高抽巷的开拓工程，降低施工成本和高抽巷抽采费用。同时三条巷道进行瓦斯抽采提高了瓦斯抽采效率，减小残余瓦斯含量，降低了工作面瓦斯异常涌出风险。