高瓦斯低透單一厚煤層工作面巷道布置方式優(yōu)化研究

孫曉冬

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所 中國科學院工程地質(zhì)力學重點實驗室，北京 100029；4.中國科學院大學，北京 100049)

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開采技術(shù)與裝備

高瓦斯低透單一厚煤層工作面巷道布置方式優(yōu)化研究

孫曉冬1,2,3,4

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013；3.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所 中國科學院工程地質(zhì)力學重點實驗室，北京 100029；4.中國科學院大學，北京 100049)

針對高瓦斯低透單一厚煤層工作面瓦斯涌出強度大、局部區(qū)域易造成瓦斯積聚問題，采用理論分析、現(xiàn)場觀測和數(shù)值模擬等手段，對不同巷道布置方式適應性進行了系統(tǒng)分析。研究表明：多巷布置方式存在巷道掘進率高、資源采出率低、上隅角瓦斯易超限問題，基于高可靠性混凝土沿空留巷技術(shù)和高抽巷高效抽采技術(shù)提出了“兩進一回Y型通風+高抽巷”巷道布置模式，現(xiàn)場應用表明，該布置方式可實現(xiàn)無煤柱開采，解決了上隅角瓦斯超限和采空區(qū)瓦斯大量涌出問題，為國內(nèi)其他類似條件煤層開采提供了良好借鑒。

高瓦斯；單一煤層；巷道布置；Y型通風

我國大多數(shù)煤層滲透率低，煤層氣地面抽采效率差，大部分煤層氣需在井下進行近場抽采、采動區(qū)抽采或者采后抽采，煤與煤層氣共采是我國瓦斯治理的主要模式[1-4]。開采實踐表明，卸壓層開采是增加煤層透氣性系數(shù)的有效方法，淮南、平頂山等礦區(qū)通過卸壓層開采較好地解決了低透氣性煤層瓦斯抽采問題。

山西長治地區(qū)的3號煤層為單一厚煤層，不具備卸壓層開采條件，瓦斯含量為3.5～23.7m3/t，屬低透氣、強吸附性、難抽放高瓦斯煤層，地面鉆井抽采效果不理想。井下鉆孔瓦斯流量衰減快，加之煤質(zhì)松軟，易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，造成預抽難度大。各礦井多采用高強度立體化瓦斯抽采模式，根據(jù)統(tǒng)計，高瓦斯礦井的瓦斯抽采率在46%～62.33%之間，平均為52.3%，仍有1/2左右的瓦斯涌出需要風排解決。

3號煤層工作面以往多采用兩進一回、三進一回、兩進兩回或三進兩回的多巷布置方式，不僅掘進率偏高，還造成了大量的區(qū)段煤柱損失[5-6]。隨著采深的加大，巷道掘進解突困難，造成工作面接續(xù)持續(xù)緊張，且多巷布置方式生產(chǎn)中上隅角瓦斯仍然頻繁超限，采空區(qū)裂隙帶瓦斯極易積聚，安全隱患較多。針對此類高瓦斯低透單一厚煤層工作面，為解決開采中的瓦斯治理問題，亟需改進并優(yōu)化已有的多巷布置方式，研究兼具科學性、安全性及經(jīng)濟性的巷道布置模式。

1 工作面瓦斯涌出特點

長治地區(qū)3號煤層一般厚度5.0～7.0m，多采用放頂煤開采，本地區(qū)工作面瓦斯涌出具有以下特點：

(1)瓦斯涌出強度大 3號煤層多采用放頂煤開采，一次采出厚度大，多數(shù)工作面日峰值產(chǎn)量大于10kt，工作面前方暴露的煤壁面積大，瓦斯的涌出量大，如余吾礦各工作面絕對瓦斯涌出量為31.45～50.75m3/min。

(2)采空區(qū)瓦斯涌出量占比大 隨著工作面的不斷推進，煤層上覆巖層不斷垮落，破碎的巖層和遺煤在釆空區(qū)內(nèi)堆積，形成多孔介質(zhì)，為釆空區(qū)內(nèi)瓦斯的滲流和擴散形成了通道。支架上方頂煤及遺留在釆空區(qū)的浮煤富含的瓦斯不斷涌入采空區(qū)，這些瓦斯在漏風流和瓦斯壓力梯度的作用下部分進入裂縫帶、部分向工作面和尾巷內(nèi)涌出。潞安集團多個礦井觀測顯示，采空區(qū)瓦斯涌出量占整個工作面瓦斯涌出量的38.4%。

(3)局部區(qū)域瓦斯易積聚 單純依靠通風難以解決工作面瓦斯問題，在上隅角會頻繁出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象，此外，在放煤過程中放煤口也會出現(xiàn)瓦斯積聚，采空區(qū)和裂縫帶瓦斯也很難進行充分抽采，容易形成高濃度的瓦斯庫。

2 不同巷道布置方式適應性分析

為解決高瓦斯低透單一厚煤層開采安全問題，主要采用工作面多巷布置方式配合高強度井下抽采措施，其中，應用較多的工作面巷道布置方式包括以下幾種[7-8]：

(1)單U布置 這種方式系統(tǒng)簡單，經(jīng)濟，適用于采空區(qū)瓦斯涌出量不大的工作面。

(2)兩進兩回雙U布置 較常規(guī)單U布置又增加了一個U型通風系統(tǒng)，雙U巷道之間用橫貫聯(lián)通，可提高上隅角和采空區(qū)瓦斯治理效果，但巷道掘進量大，適用于不易自燃煤層。

(3)兩進一回布置 根據(jù)回采巷道的條數(shù)不同分為2條回采巷道的沿空留巷Y型通風和3條回采巷道的偏Y型通風，可有效解決上隅角瓦斯積聚問題，但該系統(tǒng)存在采空區(qū)瓦斯積聚問題。巷旁充填材料的選擇是沿空留巷能否成功的關(guān)鍵，潞安集團下屬礦井試驗過矸石堆垛、砌體墻、高水材料充填支護、澆筑混凝土隔墻等沿空留巷方式。

(4)三進一回布置 工作面供風量增大，風排瓦斯的能力更強，但與此同時，巷道的掘進量增大，且增加一個煤柱損失。

對長治地區(qū)典型巷道布置方式工作面進行了現(xiàn)場觀測。觀測結(jié)果如表1所示。隨著服務(wù)單個工作面巷道數(shù)量的增加，供風量隨之增大，有利于增加風排瓦斯能力，但造成巷道掘進率增加，資源采出率下降。多巷布置方式下，除兩進一回布置可實現(xiàn)無煤柱開采外，其他工作面采出率在75%～78.3%之間，單U布置工作面采出率81.8%，都有大量的煤柱損失存在。但各布置方式治理上隅角瓦斯的效果均不理想，且對采空區(qū)瓦斯無針對性的抽采措施，在高強度開采條件下，易造成上隅角瓦斯頻繁超限。

表1 不同巷道布置方式工作面瓦斯治理效果

3 巷道布置方式優(yōu)化研究

近幾年隨著頂板定向應力處理技術(shù)(聚能爆破、水力定向壓裂)的發(fā)展，可對巷道壓力異常顯現(xiàn)區(qū)域頂板進行優(yōu)化處理。澆筑混凝土隔墻法沿空留巷雖然有價材料用量大，但該方法適應性廣，承載力高，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛接受。巷道頂板定向處理應力優(yōu)化技術(shù)配合混凝土材料留巷使得本地區(qū)綜放工作面留巷長度大幅增加，基本可實現(xiàn)全長留巷。在對不同工作面巷道布置方式系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上，基于高可靠性混凝土沿空留巷技術(shù)和高抽巷高效抽采技術(shù)，提出了適用于高瓦斯低透單一厚煤層工作面的“兩進一回Y型通風+高抽巷”巷道布置方式。這種布置方式具有較強的供風和上隅角瓦斯治理能力，可實現(xiàn)無煤柱開采，降低萬噸煤掘進率達60%以上，經(jīng)濟效益突出，合理設(shè)置的高抽巷可對采空區(qū)瓦斯進行高效抽采，對上隅角瓦斯超限也有一定的控制作用，抽采出的高濃度瓦斯不經(jīng)過工作面和回風巷，直接由管路輸送至地面，安全可靠性高。

為對比分析這種巷道布置方式的優(yōu)勢，采用ANSYS有限元分析軟件對不同巷道布置方式下工作面通風情況及瓦斯?jié)舛冗M行了模擬分析。模擬的巷道布置方式包括以下4種：單U型通風+高抽巷、Y型通風+高抽巷(兩進一回，沿空留巷)、雙U型通風(兩進兩回)、偏Y型通風(三進一回)。根據(jù)工作面的實際地質(zhì)情況，同時考慮到采場實際條件的復雜性，對其進行了等效簡化，設(shè)置幾何模型的尺寸規(guī)格如表2所示，圖1為建立的模型拓撲和網(wǎng)格劃分。

表2 采場模型幾何尺寸

圖1 模型拓撲和網(wǎng)格劃分

表3為數(shù)值模擬的各方案上隅角瓦斯?jié)舛葘Ρ冉Y(jié)果。

從表3中可以得到以下結(jié)論：

(1)兩進兩回雙U型通風和三進一回偏Y型通風方式易造成裂縫帶和采空區(qū)瓦斯積聚，工作面上隅角和回風巷均出現(xiàn)了不同程度的超限。

(2)U型通風配合高抽巷與Y型通風配合高抽巷抽采的效果都比較理想，采空區(qū)臨近工作面的區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊玫搅孙@著的控制，而上隅角的瓦斯?jié)舛染芙档椭?%以下。

(3)Y型通風+高抽巷的抽放效果較U型通風+高抽巷抽放效果對瓦斯含量高的工作面安全系數(shù)更高，即Y型通風+高抽巷布置方式更能適應瓦斯含量大或開采強度大的工作面。

4 現(xiàn)場應用效果分析

高河礦E1315工作面采用“兩進一回Y型通風+高抽巷”巷道布置方式，沿空留巷材料選用高強度混凝土，留巷巷道作為回風巷使用，臨近工作面的兩條巷道均作為進風巷，總供風量4400m3/min，其中膠帶巷配風量3000m3/min。高抽巷凈寬3.0m，凈高2.8m，距回風巷水平距離40m，距煤層頂板垂直距離35m。該工作面生產(chǎn)期間，最高日產(chǎn)量32kt，工作面具備年產(chǎn)8Mt生產(chǎn)能力，工作面采出率較原三進一回布置方式提高11.7%。觀測期間，工作面瓦斯和上隅角瓦斯均未出現(xiàn)超限現(xiàn)象，回風流瓦斯?jié)舛冉档土?5.7%，上隅角最大瓦斯?jié)舛冉档土?8.8%，風排瓦斯量降低了49.3%，高抽巷抽采工作面瓦斯涌出量占比30%～55%，說明Y型通風+高抽巷布置方式可滿足3號煤層綜放工作面高強度開采需要。

5 結(jié) 論

(1)高瓦斯低透單一厚煤層工作面瓦斯涌出強度大，采空區(qū)瓦斯涌出量占比高，多巷布置方式不僅巷道掘進率高，且局部區(qū)域易造成瓦斯積聚現(xiàn)象。

(2)“兩進一回Y型通風+高抽巷”巷道布置方式具有較強的供風和上隅角瓦斯治理能力，設(shè)置的高抽巷可解決采空區(qū)瓦斯進行高效抽采，降低了巷道掘進量和煤柱損失，具有經(jīng)濟和安全上的先進性。

(3)現(xiàn)場應用表明，“兩進一回Y型通風+高抽巷”工作面基本杜絕了上隅角瓦斯超限問題，風排瓦斯?jié)舛冉档土?9.3%，改善了工人作業(yè)環(huán)境，為國內(nèi)其他類似條件煤層開采提供了良好借鑒。

[1]王家臣，范志忠.厚煤層煤與瓦斯共采的關(guān)鍵問題[J].煤炭科學技術(shù)，2008，36(2)：1-5.

[2]程遠平，俞啟香.中國煤礦區(qū)域性瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學報，2007，24(4)：383-390.

[3]袁 亮.卸壓開采抽采瓦斯理論及煤與瓦斯共采技術(shù)體系[J].煤炭學報，2009，34(1)：1-8.

[4]程遠平，俞啟香，袁 亮，等.煤與遠程卸壓瓦斯安全高效共采試驗研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2004，33(2)：132-136.

[5]李宗翔.綜放工作面采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].煤炭學報，2002，27(2)：173-178.

[6]何利文，施式亮，劉 影.回采工作面瓦斯涌出的復雜性及其度量[J].煤炭學報，2008，33(5)：547-550.

[7]吳世躍，郭勇義.Y型通風方式治理高產(chǎn)綜采面瓦斯的研究[J].西安科技學院學報，2001，21(3)：205-207.

[8]王彥凱，李新娟.潞安礦區(qū)低透氣性松軟單一煤層立體化瓦斯抽采技術(shù)探索[J].煤炭工程，2010，42(8)：49-50.

[責任編輯：周景林]

Roadway Optimal Layout of Working Face with High Gas and Low Permeability Single Coal Seam

SUN Xiao-dong1，2，3，4

(1.Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science & Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China；2.Mining Institute，China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；3.China Academy of Sciences of Engineering Geological Mechanics Key Laboratory，Geology and Geophysics Institute of China Academy of Sciences，Beijing 100029，China；4.Chinese Academy of Sciences University，Beijing 100049，China)

To the problems of methane accumulation in some local region that induced ultra high gas emission of high gas and low permeability single coal seam working face，then the adaption of different roadway layout style were analyzed by theory analysis，field observation and numerical simulation and so on.The results showed that some problems appeared in multiple roadways layout style，which is about roadway driving rate is high，resource recovery ratio is low and gas in upper corner is overrun easily，based on high reliability cement retaining roadways along goaf technology and high effect drainage technology high level suction roadway，then the roadway layout style of ‘two intakes and one return ‘Y’ style ventilation and high level suction roadway’ was put forward，the field practical showed that non coal pillar mining would be realized，and the problems that methane overrun in upper corner and methane emission largely in goaf were solved，it references for other similar situation in home.

high gas；single coal seam；roadway layout；Y style ventilation

2016-06-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.06.008

國家自然科學青年基金資助項目 (51504135)

孫曉冬(1984-)，男，河南清豐人，助理研究員，博士研究生，研究方向為煤礦安全高效開采及工程地質(zhì)災害防治。

孫曉冬.高瓦斯低透單一厚煤層工作面巷道布置方式優(yōu)化研究[J].煤礦開采，2016，21(6)：28-30.

TD802

A

1006-6225(2016)06-0028-03