邓博知，重庆人，博士，硕士生导师，美国佐治亚理工大学博士后，现任重庆大学副教授。主要从事煤矿瓦斯灾害防治、矿山岩石力学和非常规天然气开发与利用等方面的研究工作。主持国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题、重庆市自然科学基金面上项目、重庆市博士后特别资助、国家重点实验室开放基金及企业横向项目10余项。以第一作者或通讯作者在《FUEL》、《International Journal of Coal Geology》、《力学学报》、《煤炭学报》等行业内著名期刊上发表论文20余篇，获省部级、行业级科技奖励5项。

主要内容

主要研究在不同推进距离时、不同的通风条件下所对应的沿空留巷及工作面瓦斯分布规律和浓度变化情况，研究结果可为预测各个阶段巷道瓦斯浓度峰值提供依据，通过提前改变通风参数，实现对瓦斯超限的有效预防及治理。

1.  工作面概况

      2103工作面位于山西焦煤汾西矿业东瑞煤矿井田东北部2#煤层，该工作面采用“两进一回”式Y型通风系统、沿空留巷布置，辅运巷道作为主进风巷，运输巷道作为副进风巷。矿井绝对瓦斯涌出量为20.76 m3/min，相对瓦斯涌出量为18.31 m3/t，原始瓦斯压力最大为0.36 MPa，属高瓦斯矿井。工作面开切眼长度180 m，走向长度868 m，煤层厚度0.75~1.05 m，平均厚度0.9 m，属稳定可采的薄煤层，煤层倾角为4°~10°，平均为7°，属近水平煤层。根据实测数据分析和分源预测法得出，工作面绝对瓦斯涌出量为4.72 m3/min，采空区绝对瓦斯涌出量为9.98 m3/min。采煤方法为走向长壁后退式开采，采用综合机械化一次采全高。2103辅运巷道实测断面面积为11.14 m2，2103运输巷道实测断面面积为10.44 m2，均采用锚、网、索支护。     

2.  模型的建立与参数设定

2.1  几何模型及网格划分

图  1  沿空留巷采空区几何模型及网格划分图

2.2  数学模型

2.3   边界条件及参数设置

表  1  沿空留巷采空区物理模型参数

2.4   数值模拟结果验证

图  2  工作面正常开采时采空区风速分布图

图  3  工作面正常开采下采空区风压分布图

图  4  沿空留巷内瓦斯浓度数值模拟与现场实测数据对比图

3.  单进风巷风量调节对瓦斯运移的影响规律

3.1   运输巷道风量调节结果

图  5  不同推进距离时运输巷道不同进风量的瓦斯浓度分布云图

图  6  不同推进距离时运输巷道不同进风量的工作面瓦斯浓度变化图

图  7  不同推进距离时运输巷道不同进风量的沿空留巷瓦斯浓度变化图

3.2  辅运巷道风量调节结果

图  8  不同推进距离时辅运巷道不同进风量的瓦斯分布云图

图  9  不同推进距离时辅运巷道不同进风量的工作面瓦斯浓度变化图

图  10  不同推进距离时辅运巷道不同进风量的沿空留巷瓦斯浓度变化图

由图 9、图 10可知，工作面不同推进距离和辅运巷道风量增加对瓦斯浓度变化总体趋势基本没有影响。推进距离的增加仍然会增高瓦斯治理难度。随着辅运巷道风量的增加，采煤工作面的瓦斯浓度明显减小但幅度逐级变低，这同样说明在改变辅运巷道风量时也应综合考虑通风成本等因素，在瓦斯浓度符合要求的同时，需要进行合理的风量设置。而沿空留巷的瓦斯浓度受辅运巷道风量变化的影响较小，不同风量下整条巷道瓦斯浓度差值较小。辅运巷道风量增加带动总风量增加的同时，也会增加采空区与沿空留巷内的压力差，导致采空区向沿空留巷内扩散的瓦斯量增多，在总风量增加和瓦斯量增多的共同作用下，沿空留巷内瓦斯浓度仅在小幅度范围内变化，因此单一增加辅运巷道风量对治理沿空留巷瓦斯效果不明显。   

4.  双进风巷风量调配对瓦斯运移的影响规律

4.1   采煤工作面推进初期

图  11  工作面推进距离为160 m时运输巷道与辅运巷道不同进风量配比下瓦斯分布云图

图  12  推进距离为160 m时不同风量配比的工作面瓦斯浓度变化图

图  13  工作面推进距离为160 m时不同风量配比的沿空留巷瓦斯浓度变化图

图  14  工作面推进距离为160 m时不同风量配比的瓦斯浓度峰值

4.2   采煤工作面推进中期

图  15  工作面推进距离为460 m时运输巷道与辅运巷道不同进风量配比下瓦斯分布云图

图  16  工作面推进距离为460 m时不同风量配比的工作面瓦斯浓度变化图

图  17  工作面推进距离为460 m时不同风量配比的沿空留巷瓦斯浓度变化图

图  18  工作面推进距离为460 m时不同风量配比的瓦斯浓度峰值

4.3   采煤工作面推进后期

图  19  工作面推进距离为760 m时运输巷道与辅运巷道不同进风量配比下瓦斯分布云图

图  20  推进距离为760 m时不同风量配比的工作面瓦斯浓度变化图

图  21  工作面推进距离为760 m时不同风量配比的沿空留巷瓦斯浓度变化图

图  22  工作面推进距离为760 m时不同风量配比的瓦斯浓度峰值

5.  结论

1)“两进一回”Y型通风模式下，采空区瓦斯运移趋势基本相同，采空区深部瓦斯浓度较高，工作面及附近采空区瓦斯浓度较低。工作面瓦斯浓度先上升至峰值后在尾巷附近有所下降。相同工作面推进距离下，大多数条件下沿空留巷瓦斯浓度变化趋势基本相同，初期瓦斯浓度逐渐升高，中期增长速度变缓直至达到某一峰值，压实稳定区形成后会呈现后期瓦斯浓度增长缓慢几乎不变的趋势。

2) 当辅运巷道风量恒定时，随着运输巷道风量的增加，工作面瓦斯浓度基本不变，沿空留巷的瓦斯浓度明显降低但下降幅度逐步减小；单一增加辅运巷道风量，采煤工作面的瓦斯浓度明显降低但幅度逐级变小。改变单一进风巷风量对沿空留巷和工作面瓦斯的同步治理效果不明显。

3) 在总风量不变的情况下，当运输巷道风量增加、辅运巷道风量减少时，更多的瓦斯被封存在采空区内。当运输巷道风量减少、辅运巷道风量增加时，高瓦斯浓度区域向采空区深部收缩。总风量恒定，辅运巷道风量增加使工作面瓦斯浓度降低，运输巷道风量增加使尾巷瓦斯浓度降低，调节运输巷道和辅运巷道的风量配比对工作面瓦斯浓度影响较大，对采空区影响相对较小。

4) 随着采煤工作面推进距离的增加，沿空留巷和工作面的瓦斯治理难度上升，最佳通风配比由运输巷道向辅运巷道倾斜。在煤炭开采过程中，应不断调节进风巷风量配比来预防工作面和尾巷瓦斯浓度升高，同时，还应提高采空区密闭程度、加强采空区的漏风管理。