基于偏Y型通风条件下采空区瓦斯抽采技术研究_张锋.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0300引言对于厚-特厚煤层超长综放工作面，为了实现高产高效，针对以往工作面U型通风方式无法满足安全生产需求。根据矿井目前回采工艺条件，将工作面通风方式变更为偏Y型通风系统，在一定条件下很好地解决了上隅角瓦斯浓度超限问题。但是，当工作面高产高效的状态下，工作面上隅角瓦斯超限，为了降低工作面上隅角瓦斯浓度，必须对工作面采空区进行瓦斯抽采。我国学者针对该问题已开展了大量的研究，对于采空区瓦斯治理技术研究者提出了数值模拟结合瓦斯治理工艺。对于文献2模拟了偏Y型通风条件下采空区瓦斯涌出规律，并提出相应的解决技术;文献3研究了工作面风量是如何影响采空区瓦斯涌出规律，根据此规律控制了工作面瓦斯超限;文献4研究了双U三进两回通风方式下采空区瓦斯分布进行了规律;文献5提出了U+I基于偏 Y 型通风条件下采空区瓦斯抽采技术研究*张锋1，2（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037）摘要：为了研究综放工作面上隅角瓦斯超限原因及提高工作面上隅角瓦斯超限治理效果，以保德煤矿81505工作面为研究对象，结合工作面回采工艺参数，提出了偏Y型通风方式，利用有限元软件FLUENT模拟研究了工作面采空区瓦斯流场分布特点，在此基础上提出了大直径水平钻孔抽采采空区瓦斯工艺：即在备采工作面上顺槽通过施工水平钻孔接通采空区，进行采空区瓦斯抽采。研究结果表明：在保证工作面足够配风量条件下，大直径水平钻孔瓦斯抽采浓度3.2%10.2%，抽采量5.423.6 m3/min，工作面上隅角瓦斯浓度不超过0.58%，回风巷瓦斯浓度不超过0.49%。确保了工作面安全高效生产。关键词：采空区瓦斯；数值模拟；上隅角；偏Y型通风；大直径钻孔中图分类号：TD712.6文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 131 04Research on Gas Drainage Technology in Goaf Based on PartialY-type VentilationZHANG Feng1，2（1.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400039,China；2.State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting,Preventing and Emergency Controlling,Chongqing 400037,China）Abstract:In order to study the reason for the over-limit gas in the upper corner of the fully mechanizedcaving face and improve the control effect of the over-limit gas in the upper corner of the working face,the 81505 working face of Baode coal mine was taken as the research object,combined with the miningprocess parameters of the working face,and the partial Y-type ventilation In this way,the finiteelement software FLUENT is used to simulate and study the gas flow field distribution characteristics inthe goaf of the working face,and on this basis,a large-diameter horizontal borehole gas drainagetechnology for the gas in the goaf is proposed:that is,pass along the groove on the preparation workingface.Construction horizontal drilling is connected to the goaf for gas drainage in the goaf.The researchresults show that:under the condition of ensuring sufficient air distribution at the working face,the gasdrainage concentration of large-diameter horizontal boreholes is 3.2%-10.2%,the drainage volume is5.4-23.6 m3/min,and the gas concentration in the upper corner of the working face does not exceed0.58%,the gas concentration in the return air lane does not exceed 0.49%.Ensure the safe and efficientproduction of the working face.Key words:goaf gas；numerical simulation；upper corner；partial Y-type ventilation；large-diameterborehole*国家“十三五”科技重大专项（2016ZX05067004-004；2016ZX05043005-003）；中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项项目（2018MS011）131型工作面通风系统优化。本文通过资料收集、分析该矿工作面瓦斯超限原因，采用数值模拟、现场分析提出采空区瓦斯抽采新工艺，应用于现阶段81505工作面，通过参数设计、现场施工及数据收集，统计分析了工作面采空区瓦斯治理效果，很好地解决上隅角瓦斯积聚及超限。1工作面概况保德煤矿地质储量12亿t，可采储量7.11亿t，主采煤层为8#、13#煤层，瓦斯等级鉴定属于高瓦斯矿井。当前保德煤矿井主采8#煤层，8#煤开采标高420940 m，埋藏深度122663 m，煤层平均倾角3.5，为厚特厚煤层，以厚煤层为主地质构造简单，开采条件适宜。可采煤层情况如表1所示。表1保德煤矿可采煤层情况一览表81505工作面设计可采长度2 208 m，工作面倾向长度240 m，煤炭储量550万t，该工作面煤层倾角59，平均8。工作面沿煤层走向掘进，煤层厚度呈北厚南薄之趋势，切眼处煤层最厚7.5 m，中部处最薄6.4 m，平均厚度6.8 m。2工作面通风方式介绍（1）工作面风流方向81505一#、二#回风顺槽和81505运输顺槽入风，回风通过81505运输顺槽26-27联巷（保留巷道）进入81506切眼（备用工作面），为偏Y型通风。通风系统图如图1所示。图1偏Y型工作面通风系统图（2）设备布置及运输带式输送机布置在81505运输顺槽（进风流），移变列车布置在81505一#回风顺槽（进风），行人进料从81505一#回风顺槽进入，大件可绕行81505二#回风顺槽，从图1中31联巷进入。（3）采空区抽放管路管路安装在81506二#回风顺槽，与81505运输顺槽联巷内安装支管，支管阀门安装在对应联巷口，为提前回收管路，可以设置为6个联巷1个主管阀门，在2联巷设置干管龙门；切换时可以根据需要打开阀门；管路可全部进行回收。3基于偏Y型通风条件下数值模拟根据偏Y型通风工作面风流流动的线路，建立如图1的通风方式模型，利用有限元软件FLUENT模拟工作面采空区瓦斯分布规律，数值模拟结果如图2图4所示。图2未抽采瓦斯时瓦斯浓度分布立体图图3未抽采瓦斯时瓦斯浓度分布正视图图4未抽采瓦斯时瓦斯浓度分布俯视图从数值模拟分布图可知，进风巷瓦斯浓度比较低，回风巷浓度远远超过进风巷浓度，采空区内瓦斯浓度最高，采空区靠近工作面的中间部分瓦斯浓度较低。从而形成马鞍状分布形态。瓦斯在采空区内在风流作用下进行运移，运移到工作面回风巷，沿走向方向运移，使得工作面瓦斯浓度不断地升高；在竖直方向上，冒落带瓦斯浓度低于裂隙带。第42卷第02期基于偏Y型通风条件下采空区瓦斯抽采技术研究张锋Vol.42 No.028#10#11#13#最大10.391.9113.2811.25最小2.151.261.110.00平均6.831.507.163.68煤层平均间距/m煤层结构复杂简单-复杂复杂较简单煤层厚度/m煤层81505一#回风顺槽81505二#回风顺槽31#30#81505运输顺槽二#回风顺槽一#回风顺槽26#27#81505工作面运输顺槽辅运顺槽备用工作面运输顺槽运输顺槽运输顺槽上顺槽X8.52e-018.09e-017.67e-017.24e-016.61e-016.39e-016.96e-015.54e-015.11e-014.66e-014.26e-013.83e-013.41e-012.96e-012.56e-012.13e-011.70e-011.26e-018.52e-024.26e-020.00e-00YZ进风巷进风巷XYZXYZ8.52e-018.09e-017.67e-017.24e-016.61e-016.39e-016.96e-015.54e-015.11e-014.66e-014.26e-013.83e-013.41e-012.96e-012.56e-012.13e-011.70e-011.26e-018.52e-024.26e-020.00e-008.52e-018.09e-017.67e-017.24e-016.61e-016.39e-016.96e-015.54e-015.11e-014.66e-014.26e-013.83e-013.41e-012.96e-012.56e-012.13e-011.70e-011.26e-018.52e-024.26e-020.00e-00295.5223.891324采空区瓦斯抽采技术研究4.1大直经采空区瓦斯抽采工艺以数值模拟保德煤矿回采工作面瓦斯浓度分布的数值仿真结果为依据，研究为了验证新工艺的可行性，工作面顺槽走向长度2 208 m，其联巷间距150 m。同时在相邻联巷150 m的范围内，施工4个直径为600 mm大直径水平钻孔，钻孔间距30 m。在回采工作面推进的过程中，应用大直径水平钻孔抽采采空区瓦斯，大直径水平钻孔抽采采空区瓦斯示意图如图5所示。图5大直径水平钻孔抽采采空区瓦斯示意图4.2大直径采空区瓦斯抽采设计根据图1工作面偏Y型通风方式条件下巷道布置平面分布实际情况，大直径水平钻孔抽采采空区瓦斯工艺设计是将备采工作面回风巷通过钻孔与采空区连接，每个大直径水平钻孔通过下套管，进行密封，连接抽采管道，在抽采管路上留有监测数据钻孔及负压调节控制阀门，为了抽采效果分析和抽采量的控制调节，其抽采技术参数设计如图6所示。（a）水平示意图（b）AA剖面图图6大直径水平钻孔抽采瓦斯参数设计图4.3大直径水平钻孔施工效果钻孔施工使用ZDY-6000L型普通钻机，配合特殊加工钻杆与钻头对顺槽间12 m煤柱施工水平钻孔，钻孔直径600 mm，然后在孔内安装508 mm瓦斯抽采管路。结果表明：在顺槽煤层间施工的大直径水平钻孔成型较好，均未出现钻孔坍塌，现场施工效果如图7所示。（a）未安装抽采套管（b）已安装抽采套