摘要：本文以某煤矿工作面为研究对象，对现场信息数据进行采集分析，以此数据为基础利用FLUENT软件对某煤矿工作面采空区以及中隅角的瓦斯分布情况进行模拟，根据结果提出瓦斯治理措施，并应用于该煤矿工作面当中，对应用效果进行分析研究。

　　关键词：煤矿；工作面；采空区；瓦斯分布；治理措施

　　0引言

　　目前，我国煤矿开采作业当中通风方式主要以U型为主，虽然大量的专家学者通过研究提出了在U型通风条件下上隅角瓦斯治理的具体措施，并取得了一定的效果；但在U型通风方式下，上隅角瓦斯积聚的问题依旧存在，严重影响了煤炭开采安全1]。针对此种情况，相关技术人员提出了各种通风类型，其中W型通风方式便是其中最常见的一种，此种通风类型模式为两侧巷道进风，中间巷道回风，相比较U型通风方式，基于W型通风方式的煤矿开采工作上隅角瓦斯积聚问题得到有效改善，但由于漏风风流的作用回风巷会产生瓦斯积聚问题[2]。因此，针对W型通风工作面采空区瓦斯浓度分布的研究也是安全开采的必要措施。

　　1 W型通风采空区瓦斯浓度模拟分析

　　1.1工程概况

　　某煤矿为高瓦斯矿井，经过检测煤层的瓦斯含量达到9.65m³/t,最大瓦斯压力为1.08 MPa。本次所研究工作面走向长度为840m,倾向长度为240m,煤层厚度为2.91～3.08m,平均3m,煤层厚度相对稳定。该工作面开采标高在+497.3～+532.0m,平均标高为+510m,工作面坡度为4°,预计采用W型通风方式进行开采。

　　1.2物理模型构建

　　为了对该煤矿工作面的瓦斯分布情况进行分析，本次采用FLUENT软件进行模拟，其中模型的构建以实际为准，模型长度840 m,宽度240m,工作面长度设置为240m,宽度8m,高度6m。进风巷与回风巷尺寸一致，长度为20m,宽度为4m,高度为4m。根据地质结构分析，本次模型建立中冒落带设置为9.5m,底板遗煤厚度设置为0.5m,裂隙带设置为60m,自然堆积区为工作面走向84m,载荷影响区为294m,稳定压实区为462m。不同区域孔隙率等参数见表1。整个采空区模型设置为多孔介质，其中采空区与工作面的交界位置设置为内部面，其他部分设置为边间。

　　1.3 W型通风采空区瓦斯分布情况模拟

　　本次将采空区CFD模型导入至FLUENT软件当中，根据实际情况将进风巷风速设定为1.5m/s,进风为自然空气，瓦斯浓度(全文“瓦斯浓度”均为“瓦斯体积分数”)设置为0,氧气体积分数设置为21%,中间回风巷设置为自由出口。模拟结果如图1所示。

　　由图1可知，在两条进风巷风量一致的情况下，从水平方向分析，沿进风口到采空区内部瓦斯浓度逐步升高，其中进风巷上隅角位置瓦斯含量基本为0,回风巷瓦斯浓度比较进风巷高。从垂直方向分析，瓦斯浓度随着高度的升高而增大，特别是在距顶板34~40m的位置为瓦斯富集带。其中回风巷交接工作面位置瓦斯浓度在0.8%左右，回风巷中隅角浓度在0.8%～1.3%之间，超出安全生产瓦斯浓度标准线。

　　2某煤矿采空区瓦斯治理措施

　　某煤矿为新建矿井，生产任务量较大，为了在保证安全的前提下做到采掘工作交替平衡，可以采用阶段接替式高位钻孔与底板穿层孔相结合的瓦斯治理措施。具体的施工治理措施主要分为三个阶段，分别如下：

　　1)在工作面南侧向上钻取高位孔进行瓦斯治理。钻孔数量共计20,根据模型模拟分析，钻孔终端距离回采工作面巷道顶板35～40m范围内，钻孔初始位置于工作面北帮顶部。为了更好地抽取上覆煤层中的瓦斯，其中奇数序号钻孔终端设置于距煤层工作面巷道顶板35m处，孔深110m,方位角为29°,倾角17.5°;偶数序号钻孔终端设置于距煤层工作面巷道顶板40m处，孔深113m,方位角为29°,倾角22.5°。

　　2)根据模型模拟结果，在工作面中顺槽位置建立8组搭接式高位钻孔，钻孔终端设置在距煤层工作面巷道顶板35m裂缝带位置。其中1#钻孔孔深为106.5m,方位角为196°,倾角17°;2#钻孔孔深为100.5m,方位角为205°,倾角18°;3#钻孔孔深为100.5m,方位角为213°,倾角18°;4#钻孔孔深为106.5m,方位角为222°,倾角17°;所有钻孔孔径均为115mm。

　　3)设置高位钻场工作面中顺回风联络巷中，钻孔沿工作面水平方向在顶板上进行布置，钻孔终端位置设置在距巷道顶板35～40m范围内。钻孔共设置有10个，孔径均为94 mm,倾角设置为1°,1#—10#钻孔方位角分别为209.7°、209.1°、208.1°、207.1°、206.3°、205.5°、204.7°、203.9°、202.9°、202.2°,1#—10#钻孔孔深分别为260、260、260、260.2、260.3、260.5、260.7、261.1、261.5、261.9m。

　　3瓦斯治理情况分析

　　将阶段接替式高位钻孔与底板穿层孔相结合的瓦斯治理措施应用于某煤矿采空区瓦斯治理过程中，经过对不同阶段瓦斯抽取结果分析，得出结果如图2、图3、图4所示。

　　某煤矿于2020年8月开始执行第一阶段的瓦斯治理方案，钻孔时初始测得的瓦斯浓度为25%~30%,由图2可知，在第一阶段瓦斯抽采工作当中，抽采出气体中的瓦斯浓度和纯量随着开采工作行进，先增大后缩小，其中瓦斯浓度在5%～30.5%范围内不等，平均抽采浓度为12.9%,抽采纯量在0.16~1.64 m³/min,平均纯量为0.56m³/min,累计抽取瓦斯量达到234400m³。

　　2020年11月，某煤矿工作面推进至160m,执行搭接式高位孔抽采瓦斯治理方案。由图3可知，搭接式高位孔抽采初期，抽采气体中瓦斯浓度为5%左右，随着工作面的不断推进，瓦斯浓度在6%～17.2%范围内波动，直至进尺达到330m时，抽采气体瓦斯浓度下降至4%停抽。该阶段平均抽采浓度为11.4%,抽采纯度在0.17～0.98m³/min,平均纯量为0.51m³/min,累计抽取瓦斯量达到317800m³。

　　某煤矿于2021年12月将工作面推进至428m,执行高位钻场高位孔抽采方案。由图4可知，在该阶段，抽采出气体中瓦斯浓度由最初的3.7%上升至49.2%,之后回落，平均抽采浓度达到30.4%,抽采纯量范围在0.13～4.28m³/min,平均纯量为2.56m³/min,该阶段共抽取瓦斯量为536700m³。

　　经过对工作面瓦斯浓度情况分析，在回采工作面达到第二阶段搭接式高位孔抽采位置后，中隅角瓦斯浓度已经下降至1.5%以下，回风巷瓦斯浓度下降至1%以下，在执行第三阶段高位钻场高位孔抽采方案后，中隅角瓦斯浓度下降至0.68%,回风巷瓦斯浓度下降至0.32%,采空区各处瓦斯浓度已经达到了安全生产线。

　　4结论

　　1)根据某煤矿工作面的实际情况，建立W型通风采空区物理模型，利用FLUENT软件进行模拟分析，结果可知W型通风采空区回风巷中隅角瓦斯浓度最高。

　　2)根据某煤矿工作面W型通风采空区模拟结果提出阶段接替式高位钻孔与底板穿层孔相结合的瓦斯治理措施，具体分为三个阶段。第一阶段为高位钻孔抽采阶段，第二阶段为搭接式高位孔抽采阶段，第三阶段为高位钻场高位孔抽采阶段。

　　3)对某煤矿工作面W型通风采空区的瓦斯抽取情况分析，三个阶段抽采完成后，中隅角的瓦斯浓度得到有效下降，经过监测数值达到0.68%,符合煤矿安全生产作业标准。

　参考文献

　　[1]赵晋龙.煤矿U型通风工作面瓦斯治理技术研究[J].山西化工，2023,43(8):169-170.

　　[2]李润芝.工作面“W型+大直径顶板走向长钻孔”联合布置系统下采空区瓦斯治理研究[J].煤炭技术，2023,42(12):175-178.