李艳昌，靖泽浩，贾进章
（1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新 123000；
2.辽宁工程技术大学矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁葫芦岛 125000）
晓南矿是辽宁铁法能源有限责任公司的主产煤矿，为东北地区提供大量的煤炭资源，为了提高工作面接替效率，采用近年推行的“110工法”，实现切顶卸压自动成巷。“110工法”是将“切顶短臂梁”理论应用在煤矿开采上，通过切顶卸压自动保留原回采巷道，实现无煤柱开采［1］。为了探究此模式下工作面通风线路及采空区气体运移规律［2－6］，国内外学者做了大量分析与研究。在“110工法”的实施背景下，探究“Y”型通风的自然风压变化规律对煤矿生产安全至关重要［7－9］。“Y”型通风相比与“U”型通风，能更好地治理上隅角瓦斯超限的问题［10－12］。但在“Y”型通风模式下，采空区的气体可能会由于留巷墙体所受压力较大而从留巷侧逸出［13－15］，因此对于沿空留巷“Y”型通风的漏风特性，及其导致的瓦斯超限治理问题还需要进一步研究。本文根据晓南煤矿实施“110工法”的实际应用情况，对其由“U”型通风调整为“Y”型通风后瓦斯超限问题进行分析处理，通过实际测量的相关数据，同时运用CFD仿真技术进行数值模拟探究，其结果将提高煤矿生产效率，对于消除煤矿安全生产隐患，解决瓦斯超限问题具有重要的理论和现实意义。
1.1 晓南矿1502工作面简介
晓南矿位于辽宁省调兵山市，井田范围长约5.6 km，宽4.2 km，面积为23 km2。其中，N1-1502工作面走向长约1.185 km，倾斜长度0.21 km。煤种为条带状光亮型气煤。煤层均厚约为1.5 m。根据工作面实见资料分析，本工作面内无岩浆岩侵入情况，工作面顶板局部存在古河流冲刷现象。工作面无地热、冲击地压危险。
1.2 瓦斯超限致因分析
N1-1502工作面最初为“U”型通风，配风量为1 200 m3/min，在此条件下，工作面瓦斯浓度0.4%。但当工作面推进至1506工作面切眼处（已与1502运输顺槽贯通）之后，将运输顺槽实施“110工法”沿空留巷，使其作为1506工作面生产巷道，1502工作面的通风模式为“两进一回式”通风，1506工作面切眼和留巷以及1502运输顺槽作为进风巷道，留巷配风量为800 m3/min，1502运输顺槽配风量为700 m3/min，此时1502工作面通风系统如图1所示。随着生产的进行，留巷长度越来越长，在留巷长度为80m时，采空区漏风已经从“U”型通风系统的点源漏风变为线源漏风，留巷与采空区相通，作为进风巷道，此时工作面回风顺槽上隅角瓦斯浓度超限频繁发生。
2.1 物理模型的建立
结合晓南矿实际地质状况，构建1502工作面通风系统模型，对“Y”型通风模式下的采空区通风特征和瓦斯分布情况进行模拟探究，建立400 m长，210 m宽，30 m高的采空区模型，其中巷道断面为4 m长，3 m高的规则矩形，如图2所示。将采空区作为多孔介质模型来进行研究并作如下假设：
（1）假设瓦斯不可压缩，瓦斯流动为稳态流动且流动过程为等温过程；
（2）不考虑井下温度变化对采空区瓦斯流动的影响；
（3）由于该试验工作面范围内煤层倾角较小，故将整个采空区煤岩层视为水平处理；
（4）进风流为理想气体，瓦斯含量为0；
（5）不考虑采煤机和液压支架等设备的实际形状，将工作面以及风流流经巷道视为长方体，根据回采工作面实际参数设置模型参数。
2.2 边界条件及计算方法
采用尺寸为1 m的六面体网格对模型进行划分，其采空区部分共有2 465 300个网格，工作面和巷道部分共有468 300个网格，风流入口边界条件设置为速度入口，风流出口边界条件设置为自由出流，出入口压力为大气压力，入口处瓦斯密度为瓦斯在大气中的密度。其中瓦斯流动状态用纳维－斯托克斯方程表示：
式中：μ为瓦斯动力黏度，Pa·s；
P为瓦斯压力，Pa；
ρ为空气密度，kg/m3。
采空区瓦斯流量控制方程表示如下：
式中：k为多孔介质的渗透率，m2；
n为孔隙率。
黏性阻力系数的计算公式为：
式中：α为渗透率，等于黏性阻力系数的倒数；
ε为孔隙率。
惯性阻力系数的计算公式为：
式中：D P为平均颗粒直径长度，m；
C2为惯性阻力系数。
采空区孔隙率的计算公式为：
式中：K P为采空区平均碎胀系数，是指将整个冒落高度内不同岩性矸石作为一个研究对象时的碎胀系数。受顶板岩性和工作面压力及厚度等赋存条件的影响，Kp呈现出指数衰减规律，以滞后工作面距离为自变量的拟合经验公式为基础进行编程；
将其编写成UDF导入至Fluent求解器中，求得相应数值。
通过现场测定取值耦合计算可得相关数值，将参数设置整理如表1所示。
表1 模型参数设置Table 1 Model parameters setting
为了解决采空区漏风严重，瓦斯超限的技术难题，在现有条件的限制下，晓南煤矿决定采用通过调整通风模式的治理措施，2020年1月初通风方法由“两进一回式”调为“一进两回式”，即从1502工作面运输槽送风，一部分回风通过工作面回风槽回风；
一部分通过留巷经1506工作面切眼回风，此时工作面瓦斯浓度超限问题有所缓解，上隅角瓦斯浓度在检修时期降至0.4%，生产时期0.6%，但瓦斯浓度达到0.8%仍然偶有发生，需要进一步采取措施进行瓦斯治理。针对1502工作面的瓦斯超限问题，提出2种方案并进行模拟分析，一种方案是改变工作面通风方式，由现行的“一进两回”变为“两进一回”，与留巷初始时的“一进两回”不同，此时的通风方式进风巷为回风顺槽运输顺槽，回风巷为沿空所留巷道；
另外一种方案是加大埋管抽采的管道直径，增加抽采量。针对这2种方案进行模拟分析治理效果，寻求最可行的治理方案。
3.1 漏风规律对比
图3为模拟不同留巷长度时，工作面的漏风结果，其中正负值分别表示向采空区漏入和漏出，可以看出，在留巷长度到达10 m之前，风流由采空区漏出，在长度超过10 m之后，风流流向采空区，且随着留巷长度的增加，2种通风方式的漏风量均呈递增趋势，“一进两回式”更为严重，最高值可达123.86 m³/min。“两进一回式”漏风较少且增长趋势缓慢，整体趋势类似于“一进两回式”，但整体漏风量更小，且更为稳定。
图3 不同通风模式下采空区的漏风情况Fig.3 Air leakage in goaf under different ventilation modes
图4为不同通风模式下采空区瓦斯分布云图，可以看出，通风模式的调整对工作面回风隅角瓦斯浓度的影响较为明显，“两进一回式”Y型通风较“一进两回式”Y型通风时的采空区回风隅角处的瓦斯浓度稍有缓减，采空区的瓦斯涌出由采空区涌出变为沿沿空留巷巷道涌出，不会在局部集中涌出，从而使回风顺槽处的瓦斯浓度得以降低，另外运输顺槽的进风量可以对采空区瓦斯涌出进行冲淡与稀释，进一步降低瓦斯浓度。
图4 不同通风模式下采空区瓦斯分布云图Fig.4 Cloud diagram of gas distribution in goaf under different ventilation modes
3.2 不同抽采管径大小对瓦斯浓度对影响
在现有的瓦斯抽采情况下，回风平巷及上隅角瓦斯体积分数如图4（a）所示。可以看出，新鲜风进入1502运输顺槽后，随着煤壁、碎煤等瓦斯涌出，风流中瓦斯浓度增加，经工作面时部分高瓦斯浓度风流随采空区漏风现象流入采空区，并逐步向冒落带方向流动，最终积聚在采空区上隅角，导致上隅角发生瓦斯积聚。瓦斯抽放的速率不足以缓解瓦斯浓度是目前的首要问题，而对瓦斯抽采效果起关键影响的因素即瓦斯抽采埋管管径的大小，因此分别对不同尺寸埋管管径的抽放效果进行模拟研究。如图5所示。
图5 不同埋管管径下采空区CH4体积分数分布云图Fig.5 Cloud diagram of CH4 volume fraction distribution in goaf under different pipe diameters
由图5可知，当钻孔直径为50 mm时，此时瓦斯体积分数过高致使上隅角发生瓦斯积聚，危及生产安全。当钻孔直径为100 mm时，工作面瓦斯浓度有所减少，而当钻孔直径为300 mm时采空区瓦斯浓度降到0.4%以下，瓦斯积聚问题可得到基本解决。
如模拟所示，改变工作面的通风方式和加大抽采管道直径均可解决瓦斯超限问题，但考虑到现有工作面的条件限制，晓南矿决定采用大管径抽采这一方案。因此，基于模拟数据和现场实际情况，晓南矿通过技术研究决定在保留原有的瓦斯抽采系统的情况下，另外增设一套井下临时瓦斯抽采泵站系统，即在回风顺槽向采空区方向设计施工20个超大直径钻孔对回顺侧采空区进行埋管抽采，钻孔直径300 mm，钻孔间距10 m，钻孔长度30 m，布置位置如图6所示，通过在1502工作面回风顺槽向采空区方向布置测点，在检修期间进行瓦斯浓度检测。瓦斯浓度分布曲线如图7所示。
图6 1502工作面一进二回式通风系统图Fig.6 One inlet and two return ventilation system diagram of 1502 working face
图7 工作面实测瓦斯浓度分布曲线图Fig.7 Distribution curve of measured gas concentration in working face
可以看出，在工作面前20 m内的瓦斯浓度呈递减趋势；
随后在20～150 m内的瓦斯浓度呈递增趋势。但整体瓦斯浓度保持在0.3%以下，已符合我国有关煤炭开采的安全规定，可保证煤炭开采的顺利进行，解决了瓦斯超限的问题，与Fluent的模拟结果基本一致。
为衔接后续1506工作面生产，晓南矿N1-1502工作面开采中后期实施“110工法”，运输顺槽进行切顶卸压沿空留巷，针对工作面通风模式发生变化以及回风隅角瓦斯超限的问题，进行了工作面通风模式的调整和增设瓦斯抽采的治理措施，主要内容如下：
（1）N1-1502工作面工作面由开采初期的“U”型通风经实施“110工法”后变为“两进一回式”的通风模式，采空区呈开放状态，工作面两端压差过高，采空区漏风严重，瓦斯超限困扰生产，因此晓南矿相关技术人员通过研究讨论决定将作面通风模式进行调整为“一进两回式”通风模式。
（2）运用CFD仿真技术模拟不同通风模式下采空区瓦斯浓度以及不同埋管管径下抽采下瓦斯超限的治理效果，得出结论：在工作面配风量等因素不变的情况下，“两进一回式”通风模式漏风量98.79 m³/min，漏风情况相较于“一进两回式”有明显改善，工作面回风隅角的瓦斯浓度基本稳定在0.43%以下，瓦斯积聚问题基本得到解决，但要对现有的通风模式进行改变，做出的调整较多，实施难度较大；
在现有的“一进两回式”通风模式下，当采用管径为50 mm的埋管抽采时瓦斯浓度过大，危及生产，随着埋管管径的增大，瓦斯浓度呈递减趋势，在管径达到300 mm时，采空区整体瓦斯浓度降到0.4%以下，解决了瓦斯超限的问题。
（3）权衡瓦斯治理方案后，决定在现有的“一进两回式”通风模式下增设瓦斯抽采泵站系统对采空区回顺侧进行埋管抽采，增加瓦斯抽采量，在实施300 mm管径的抽采方案后，瓦斯抽采泵站系统纯瓦斯抽采量能稳定4.47 m³/min以上，回风隅角瓦斯浓度稳定在0.3%以下，未再发生因瓦斯超限的停产状态，有效地提高了生产的安全性。
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