摘要：本文研究了瓦斯在上隅角积聚的原因，提出采用瓦斯巷治理综放工作面上隅角瓦斯积聚的措施。在分析和总结综采工作面及其采空区瓦斯来源、采空区多孔介质区域特点的基础上，运用CFD法建立综放工作面采场气体流动与传热的数学物理模型，论证了利用瓦斯巷防止高瓦斯综放工作面上隅角瓦斯积聚的可行性和有效性，对于我国煤矿上隅角瓦斯治理措施的进一步改进和完善具有积极意义。

　　关键词：上隅角 瓦斯积聚 数值模拟

　　中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1008-925X（2012）O8-0133-03

　　在综采工作面的瓦斯治理研究中，上隅角瓦斯积聚和处理的问题，一直是国内外技术人员努力攻关的焦点。法国煤矿采用压风引射器引排综采面上隅角的瓦斯，日本、前苏联、波兰和德国用小型气动风机吹散上隅角的积聚瓦斯，前苏联用抽放泵抽排上隅角的瓦斯，这些方法均取得了一定的效果，但不能达到治本的目的。

　　我国对于采空区瓦斯涌出量较大的综采工作面一般采用采空区瓦斯抽放和处理局部（主要是上隅角）瓦斯积聚等方法，虽在一定程度上缓解和减少了工作面回风瓦斯超限和局部瓦斯积聚现象，但仍存在着一些问题，如采空区瓦斯抽放效果普遍较差，抽放率低等，瓦斯问题仍严重地制约着综采工作面的安全生产，其原因是在采用治理方法时，未能从综采面整体观念出发，而是采用单一的处理方法，并非综合治理。

　　2007年初，面对我国煤矿安全生产的新形势、新特点，国家安全监察监督总局在最新的《煤矿安全规程》第137条对高瓦斯易燃易爆矿井采用专用巷道排放瓦斯的措施做出了严格的规定。基于创造良好的工作面环境，降低采空区漏风，解决上隅角瓦斯积聚和采空区瓦斯涌入工作面，保证综采放顶煤采煤法在高瓦斯易燃易爆矿井中安全高效地发挥作用的思想，本文结合某矿实际生产情况提出了利用瓦斯巷防止上隅角瓦斯积聚的方法，并通过计算机CFD模拟对其进行了较为深入的研究，希望可以为采用放顶煤采煤法的高瓦斯矿井的安全生产提供一些帮助。

　　1、上隅角瓦斯积聚的原因

　　矿井瓦斯爆炸主要发生在采掘工作面，在采煤工作面的瓦斯主要有以下三个来源：（1）本煤层瓦斯；（2）邻近层瓦斯；（3）采空区瓦斯。在这三个来源中，特别是采空区瓦斯的涌出一直是煤矿安全生产中的重大隐患。采空区一般是由采空区内遗煤，上、下邻近层有瓦斯解吸和流动的固体煤岩，以及空隙所组成的空间区域，该区域内的最大特点是存在两种特性相差很大的空隙，即采动空隙和原有空隙。采动空隙的分布往往有很大的随机性，空隙的间距较大，且与工作面采高、冒落带岩块大小及其排列状况、本层和邻近煤岩层的岩性等因素有关，而原有空隙则可被认为只与煤岩性质和原始应力因素有关，且同一煤、岩层的原有空隙相比之下可视为均匀分布。

　　由于采空区内两种空隙并存，因而瓦斯在采空区内的运移表现为煤块内的解吸、扩散和煤、岩采动空隙系统的层流渗透、紊流。尽管大量的采动空隙与原有空隙构成了采空区内极为复杂的气体流动网络，但从整体上来看，采动空隙是瓦斯流动的主要通道。在一般U形通风工作面，风流从进风巷进入回采工作面，清洗工作面后经回风巷流出，但其中一部分风流将漏入采空区，形成漏风流，如图1所示。

　　从流体力学的角度而言，进入工作面的风流端称为源，而流出工作面的风流端称为汇，因此，U形通风工作面又称为一源一汇工作面。实际上，在风流由进风巷进入采场时，其中有一部分风流将会漏入采空区中，而作为工作面的漏风汇的上隅角则成为采空区瓦斯涌入工作面的必经之路。所以，漏风流把采空区中的瓦斯从上隅角带出，又由于上隅角处的风速很低，所以引起上隅角瓦斯的积聚。

　　由于采空区内的瓦斯大多从工作面上隅角涌出，再加上上隅角风流速度低，处于涡流状态，主风流难以将积聚的瓦斯冲淡排出，因此，上隅角瓦斯浓度明显高于工作面其他地点，存在瓦斯超限问题。

　　另外，相对于空气而言，采空区内含瓦斯比空气的密度小，当具有高差时产生“瓦斯风压”的自然上升力，必然使采空区内含高浓度瓦斯的空气向上隅角运移，使上隅角成为采空区高浓度瓦斯集中涌出的地点，这也是上隅角成为工作面采空区瓦斯集中涌出和局部积聚超限的重要原因之一。

　　2、瓦斯巷防止上隅角瓦斯积聚

　　我国大部分煤矿采用U型通风系统，在U型通风工作面中，如果采空区没有别的漏风出口，工作面形成一源一汇流动，随煤层开采的深入，采煤工作面推进速度的加快，必然导致瓦斯涌出量大幅度增加，采空区瓦斯涌出是造成回风风流及上隅角瓦斯超限的主要因素之一。特别是在高瓦斯及瓦斯突出煤层的工作面，采空区往往赋存大量瓦斯，其瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量很大比例，有些煤矿可高达40%～60%，因此如何采取有效措施防止采空区瓦斯向上隅角涌出，对于工作面安全生产和增加工作面产量有重大意义。目前国内外的上隅角瓦斯积聚的防治技术在一些矿井虽然应用很成功，但由于煤炭赋存地质条件的复杂性，只是在个别矿井适用，或者存在管理困难、投资过大、以及效果不理想的弊端，所以急需一种通用、投资小、易于管理、效果好的工作面上隅角瓦斯治理技术的实现。

　　A矿东一采区115工作面采用走向长壁、综合机械化低位放顶煤、一次采全高采煤法，顶板处理为全部垮落法。采用走向长壁“一进二回”的布置方式。运输顺槽、回风顺槽沿煤层底板布置，瓦斯巷与回风顺槽内错15m沿煤层顶板布置，其中瓦斯巷的主要用于排放工作面高顶瓦斯、解决上隅角瓦斯超限，经过多年的探索实践，取得了良好的效果，如图2、图3所示。观察分析该矿115工作面的通风系统图中的巷道布置情况，可以发现该瓦斯巷：

　　（1）可用于顶煤预裂技术的应用，而且作业人员安全条件好、与生产互不干扰；

　　（2）作回风通道、采用局部通风机通风，使工作面瓦斯分流，原来全部从回风顺槽排出的瓦斯有相当部分从瓦斯巷排放，瓦斯浓度减少，同时上隅角和放煤口局部地点瓦斯浓度也降低；而且，由于瓦斯巷的分流作用，还可以适当地减少采空区漏风，从而为工作面安全生产提供了有益的保障；