基于U型通風(fēng)系統(tǒng)的瓦斯治理試驗(yàn)研究

趙少波

(晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦)

基于U型通風(fēng)系統(tǒng)的瓦斯治理試驗(yàn)研究

趙少波

(晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦)

為完善綜采工作面通風(fēng)瓦斯治理技術(shù)方案，在寺河礦5302工作面現(xiàn)有通風(fēng)方式基礎(chǔ)上進(jìn)行U型通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)，提出改造優(yōu)化方案。通過采取高位鉆孔、中位鉆孔、穿透鉆孔及閉墻預(yù)埋φ400 mm瓦斯管等措施對(duì)采空區(qū)高濃度瓦斯進(jìn)行攔截抽放，監(jiān)測(cè)、分析綜采面風(fēng)流流場(chǎng)分布、53024巷巷口瓦斯?jié)舛?、風(fēng)排瓦斯量及采空區(qū)瓦斯抽采量變化情況。結(jié)果表明，新型U型通風(fēng)系統(tǒng)可使風(fēng)排瓦斯量下降31%，采空區(qū)抽采量提高150%，53024巷巷口瓦斯?jié)舛认陆?3%，并節(jié)約了大量成本。試驗(yàn)結(jié)果論證了新型U型通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)越性，可為類似煤礦瓦斯治理提供借鑒。

綜采工作面 瓦斯治理 U型通風(fēng)系統(tǒng) 瓦斯流場(chǎng) 瓦斯?jié)舛?/p>

近年來(lái)，隨著礦井集中化生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，礦井生產(chǎn)效率大幅度提高。然而礦井大采高綜采工作面多采用“三進(jìn)兩回”、“三進(jìn)一回”、“四進(jìn)兩回”、“兩進(jìn)一回”等偏Y型多巷通風(fēng)系統(tǒng)，此類通風(fēng)系統(tǒng)工作面風(fēng)流一部分經(jīng)采空區(qū)流入尾巷橫川，將大量采空區(qū)瓦斯帶出，使工作面區(qū)域風(fēng)排瓦斯涌出量顯著增加，由于上隅角附近風(fēng)流容易出現(xiàn)渦旋，工作面風(fēng)流和采空區(qū)風(fēng)流的傳質(zhì)過程較弱，造成工作面上隅角瓦斯?jié)舛瘸轠1-3]，配風(fēng)量增大，存在采空區(qū)通風(fēng)隱患。與此同時(shí)，尾巷橫川內(nèi)瓦斯?jié)舛绕毡檩^高，且不易控制。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯總量50%～60%，是工作面瓦斯的主要來(lái)源之一[4]，嚴(yán)重威脅著綜采工作面的生產(chǎn)安全。采空區(qū)流場(chǎng)是系統(tǒng)研究采空區(qū)內(nèi)部遺煤自燃、瓦斯涌出及其災(zāi)害發(fā)生規(guī)律和現(xiàn)代通風(fēng)安全理論的重要組成部分[5]，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)有著重要意義。

據(jù)前人研究結(jié)果, 治理采空區(qū)上隅角瓦斯可以從2個(gè)方面著手，即增加漏風(fēng)匯和減少采空區(qū)漏風(fēng)[6]。迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)綜采工作面U型通風(fēng)上隅角瓦斯治理的具體方法主要有以下幾種：①綜采工作面上隅角設(shè)置導(dǎo)風(fēng)障；②增大綜采工作面過風(fēng)量；③設(shè)置采空區(qū)風(fēng)障或采空區(qū)噴漿；④綜采工作面下隅角垛煤袋或設(shè)置風(fēng)障；⑤安設(shè)專用抽出式風(fēng)機(jī)；⑥安設(shè)移動(dòng)瓦斯抽放泵站；⑦上隅角、下隅角放頂或充填，減少上隅角、下隅角面積；⑧保證工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)過風(fēng)斷面，減小采空區(qū)漏風(fēng)；⑨綜采工作面上隅角安設(shè)風(fēng)水引射器[7]。雖然方法眾多，但由于綜采工作面的生產(chǎn)條件千變?nèi)f化，極易出現(xiàn)風(fēng)障掛扯、上隅角頂板大面積懸頂、通風(fēng)斷面變小等情況，從而導(dǎo)致上隅角瓦斯超限斷電，甚至瓦斯爆炸等事故。本文針對(duì)寺河礦5302工作面進(jìn)行了U型通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)，為工作面瓦斯治理提供新的途徑。

1 U型通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)過程

本次U型通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)分為3個(gè)階段：

第一階段在53022/23巷20#～21#橫川試驗(yàn)。對(duì)53022/23巷20#～21#橫川煤柱施工5個(gè)中位鉆孔、9個(gè)穿透孔，在53022/23巷21#橫川閉墻上預(yù)埋2趟φ400 mm瓦斯管路，用φ193 mm鉆頭將53022/23巷16#橫川1#、2#、3#高位鉆孔擴(kuò)大孔徑，分別試驗(yàn)“2趟φ400 mm瓦斯管”、“穿透及中位鉆孔+高位鉆孔”、“穿透及中位鉆孔+高位鉆孔+2趟φ400 mm瓦斯管”的瓦斯治理效果。

第二階段在53022/23巷18#～20#橫川試驗(yàn)。此階段試驗(yàn)分2種情況：①對(duì)53022/23巷19#～20#橫川煤柱施工5個(gè)中位鉆孔、10個(gè)穿透孔，并對(duì)穿透孔及中位鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔及下套管；②在53022/23巷20#橫川閉墻上預(yù)埋2趟φ400 mm瓦斯管路。對(duì)2種情形分別試驗(yàn)“取消上隅角打木垛”的瓦斯治理效果。

第三階段在53022/23巷15#～18#橫川試驗(yàn)。此階段試驗(yàn)分2種情況：①對(duì)53022/23巷18#～19#橫川煤柱施工5個(gè)中位鉆孔、10個(gè)穿透孔，并對(duì)穿透孔及中位鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔及下套管；②在53022/23巷18#橫川閉墻上預(yù)埋一趟φ400 mm瓦斯管路。對(duì)2種情形分別采用以下手段進(jìn)行瓦斯治理效果的試驗(yàn)：①長(zhǎng)距離穿透及中位鉆孔+高位鉆孔+一趟φ400 mm瓦斯管；②封閉位置由原來(lái)的支架尾梁推過橫川里幫2 m改為與橫川外幫齊平；③減小工作面過風(fēng)量，改變上隅角流場(chǎng)；④上隅角支架尾梁處掛風(fēng)障形成封閉抽放空間；⑤閉墻φ400 mm瓦斯管預(yù)埋位置由原來(lái)的伸入閉墻以里2～3 m改為伸入閉墻以里25～30 m。

試驗(yàn)前，大采高工作面存在2個(gè)通風(fēng)橫川，試驗(yàn)后，大采高工作面只存在一個(gè)通風(fēng)橫川，試驗(yàn)前后通風(fēng)系統(tǒng)見圖1。

圖1 試驗(yàn)前后5302工作面U型通風(fēng)系統(tǒng)示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為降低瓦斯災(zāi)害，保證安全生產(chǎn)，此次新型U型通風(fēng)系統(tǒng)改造以降低上隅角、53024巷巷口等處瓦斯?jié)舛葹樵瓌t，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，一階段“穿透及中位鉆孔+高位鉆孔+2趟φ400 mm瓦斯管”措施、二階段情形①的“取消上隅角打木垛”措施和三階段情況①結(jié)合效果最優(yōu)。在最優(yōu)組合前提下，分析新型U型通風(fēng)系統(tǒng)改造效果。

2.1 5302工作面瓦斯流場(chǎng)分布

試驗(yàn)前后5302工作面瓦斯流場(chǎng)分布見圖2?？梢钥闯?，試驗(yàn)前，5302工作面采用“三進(jìn)兩回”通風(fēng)系統(tǒng)，主進(jìn)風(fēng)側(cè)一部分風(fēng)流由下隅角進(jìn)入，經(jīng)采空區(qū)后流向尾巷，從而使上隅角處負(fù)壓點(diǎn)向采空區(qū)移動(dòng)，解決上隅角瓦斯積聚問題。5302工作面試驗(yàn)新型U型通風(fēng)系統(tǒng)后，采空區(qū)流場(chǎng)與“三進(jìn)兩回”通風(fēng)系統(tǒng)基本保持一致，但是由于沒有尾巷作為出口，新型U型通風(fēng)系統(tǒng)上隅角只能作為采空區(qū)風(fēng)流出口，若不能有效控制上隅角以里采空區(qū)的過風(fēng)量，則極易造成上隅角風(fēng)流紊亂，從而出現(xiàn)上隅角瓦斯超限斷電事故。

圖2 5302工作面尾巷封閉前后瓦斯流場(chǎng)

2.2 風(fēng)排瓦斯及抽放瓦斯量

53024巷口瓦斯?jié)舛群?302工作面試驗(yàn)前后風(fēng)排瓦斯及抽放瓦斯量變化曲線見圖3?？梢钥闯觯?0月4日中班5302工作面進(jìn)行新型U型通風(fēng)系統(tǒng)試驗(yàn)后，53024巷巷口瓦斯?jié)舛扔行》仙仙?.52%后，下降至0.4%左右，下降幅度達(dá)23%；5302工作面采空區(qū)抽放量由原來(lái)的12 m3/min左右增大至30 m3/min左右，采空區(qū)抽放量增加18 m3/min，抽放率提高150%；5302工作面風(fēng)排瓦斯量由原來(lái)最大值50.75 m3/min減少至平均值35 m3/min，下降幅度達(dá)31%。由此可知，采用新型U型通風(fēng)系統(tǒng)，能顯著減小風(fēng)排瓦斯量。

3 效益分析

(1)采用新型U型通風(fēng)系統(tǒng)，每個(gè)橫川可節(jié)約30～35個(gè)木垛，每個(gè)木垛的成本為0.7萬(wàn)元左右，每年綜采工作面回采推進(jìn)4 000 m，約60個(gè)橫川，合計(jì)可節(jié)約木垛費(fèi)用1 500萬(wàn)元。

圖3 5302工作面試驗(yàn)前后風(fēng)排及抽放瓦斯變化曲線

(2)采用新型U型通風(fēng)系統(tǒng)，綜采工作面上隅角不再施工木垛，可簡(jiǎn)化綜采工作面施工工藝，節(jié)省端頭支護(hù)工。寺河礦東、西井區(qū)共2個(gè)綜采工作面，每個(gè)綜采工作面每班節(jié)省2～3個(gè)端頭支護(hù)工，每天寺河礦可節(jié)省勞力12～18人，每年可節(jié)省勞務(wù)費(fèi)320～480萬(wàn)元。

(3)采用新型U型通風(fēng)系統(tǒng)，取消尾巷通風(fēng)橫川，密閉工的作業(yè)環(huán)境得到極大改善。試驗(yàn)前，密閉工封閉尾巷橫川時(shí)需要在高濃度瓦斯區(qū)域作業(yè)，作業(yè)環(huán)境安全系數(shù)低，作業(yè)環(huán)境差；試驗(yàn)后，密閉工封閉通風(fēng)橫川，作業(yè)環(huán)境瓦斯?jié)舛纫话銥?.45%左右，安全系數(shù)大大提高。

4 結(jié) 論

采用新型U型通風(fēng)系統(tǒng)，大大提高了綜采工作面采空區(qū)瓦斯抽放量，采空區(qū)抽放量由原來(lái)的12 m3/min增加至30 m3/min；顯著減小風(fēng)排瓦斯量，降幅可高達(dá)31%；綜采面巷口瓦斯?jié)舛认陆?3%；同時(shí)，減少巷道施工工程量，簡(jiǎn)化綜采工作面施工工藝，改善作業(yè)環(huán)境，節(jié)約成本，提高作業(yè)安全系數(shù)。本方法可在高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井直接應(yīng)用，在全國(guó)類似條件礦井具有推廣應(yīng)用前景。

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2016-10-21)

趙少波(1981—)，男，工程師，048205 山西省晉城市沁水縣嘉峰鎮(zhèn)。