桑樹(shù)坪煤礦3#煤長(zhǎng)距離掘進(jìn)工作面供風(fēng)技術(shù)

張 杰，屈花榮，吉強(qiáng)強(qiáng)

(陜西陜煤韓城礦業(yè)有限公司，陜西 韓城 715407)

0 引言

煤與瓦斯突出礦井的三軟煤層單巷掘進(jìn)難度較大，一般采取雙巷掘進(jìn)。文中以桑樹(shù)坪煤礦為例，采取開(kāi)采保護(hù)層，穿層瓦斯抽采，加強(qiáng)掘進(jìn)期間瓦斯治理及防突工作，使3#煤掘進(jìn)由原來(lái)雙頭施工供風(fēng)距離700～800 m變?yōu)閱晤^施工供風(fēng)距離達(dá)到1 600 m以上，成功地解決了遠(yuǎn)距離掘進(jìn)局部供風(fēng)難題。

1 工程概況及存在問(wèn)題

1.1 工程概況

桑樹(shù)坪煤礦井田內(nèi)共有可采煤層3層，即2#、3#和11#煤層。其中，主采煤層為3#煤。3#煤層平均煤厚6 m，經(jīng)鑒定具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，南一3#煤采區(qū)瓦斯初始含量為8～12 m3/t，煤質(zhì)松軟、透氣性差。3312綜采放頂煤工作面位于南一采區(qū)下山原3212(Ⅰ期)工作面下部，運(yùn)順內(nèi)錯(cuò)3212(Ⅰ期)工作面運(yùn)順15 m，回順內(nèi)錯(cuò)3212(Ⅰ期)工作面運(yùn)順15 m，切眼平均內(nèi)錯(cuò)3212(Ⅰ期)切眼20 m，其中回順最小內(nèi)錯(cuò)14 m，為南一采區(qū)下山首個(gè)3#煤層工作面。工作面切眼寬度110 m，傾斜長(zhǎng)度1 148 m。平均煤厚5.82 m，計(jì)算地質(zhì)儲(chǔ)量98.77萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量83.96萬(wàn)t。3#煤層與上覆2#煤層層間距1.75～16 m，平均13.0 m。傾斜上部回順與上聯(lián)巷相交處2#、3#煤層層間距最薄僅1.75 m，向下160 m層間距增大至10.5 m，到傾斜下部將增大到16.0 m，如圖1所示。

圖1 3312工作面地質(zhì)柱狀圖

1.2 存在問(wèn)題

3#煤層的掘進(jìn)工作面，局部供風(fēng)一般配備2×30 kW對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)2臺(tái)(一用一備)，φ800 mm風(fēng)筒。受煤與瓦斯突出災(zāi)害治理、瓦斯治理、局部通風(fēng)管理等因素影響，供風(fēng)距離一般在700～800 m。為解決此難題，礦井一般需要增加掘進(jìn)隊(duì)伍采取雙頭對(duì)掘方式才能保證正常掘進(jìn)，但此方式增加了礦井通風(fēng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，加大了管理難度，同時(shí)增加了礦井生產(chǎn)成本等一系列問(wèn)題。

2 災(zāi)害綜合治理措施

2.1 保護(hù)層開(kāi)采

開(kāi)采保護(hù)層是預(yù)防煤與瓦斯突出最有效、最經(jīng)濟(jì)的區(qū)域性防突措施。保護(hù)層開(kāi)采后，被保護(hù)層區(qū)域的巖石及煤層受采動(dòng)影響，地應(yīng)力減小，透氣性增加，突出煤層地應(yīng)力下降，以達(dá)到突出危險(xiǎn)性消除或降低的目的，避免突出事故的發(fā)生，如圖2所示。

圖2 保護(hù)層與被保護(hù)層開(kāi)采前后示意圖

3212一期工作面為2#煤工作面，無(wú)突出危險(xiǎn)，傾向長(zhǎng)1 144 m，走向長(zhǎng)140 m，位于3312工作面上方。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第48條附錄沿傾斜方向保護(hù)范圍，工作面下部?jī)A斜卸壓角δ3按75°設(shè)計(jì)。由于3212一期直接推采至二期，暫不考慮上部?jī)A斜卸壓角δ4。根據(jù)計(jì)算可得，被保護(hù)層3312工作面切眼內(nèi)錯(cuò)保護(hù)層3212一期切眼5.74 m；根據(jù)圖3沿走向方向保護(hù)范圍，3312進(jìn)風(fēng)巷及運(yùn)輸巷位置分別取走向卸壓角56°～60°，經(jīng)計(jì)算被保護(hù)層3#煤層相對(duì)于保護(hù)層3212工作面進(jìn)風(fēng)巷及運(yùn)輸巷位置均內(nèi)錯(cuò)8.8 m；根據(jù)圖4，結(jié)合3212工作面煤層賦存，計(jì)算可得2#煤層上保護(hù)開(kāi)采的最大保護(hù)垂距S′上為34.0～40.2 m。3#煤層與2#煤層間距10～13 m，因此3312一期采面實(shí)際巷道布置處于2#煤層上保護(hù)層開(kāi)采的有效保護(hù)范圍內(nèi)。

A-保護(hù)層；B-被保護(hù)層；C-保護(hù)范圍邊界線圖3 保護(hù)層工作面沿傾斜方向的保護(hù)范圍

A-保護(hù)層；B-被保護(hù)層；C-煤柱；D-采空區(qū)；E-保護(hù)范圍；F-始采線、采止線圖4 保護(hù)層工作面始采線、采止線和煤柱的影響范圍

2.2 卸壓穿層瓦斯抽采技術(shù)

開(kāi)采保護(hù)層時(shí)，既要治理本煤層瓦斯，又要治理被保護(hù)層瓦斯，防止被保護(hù)層的卸壓瓦斯大量涌向工作面。根據(jù)3212工作面實(shí)際情況，采取提前在3212進(jìn)風(fēng)順槽向3#煤施工網(wǎng)格卸壓穿層鉆孔抽放瓦斯措施，可提前對(duì)3#煤瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，工作面回采過(guò)后，及時(shí)對(duì)3#煤卸壓瓦斯進(jìn)行抽排；3212綜采工作面為Y型通風(fēng)系統(tǒng)，Y型回風(fēng)巷采空區(qū)側(cè)使用柔模支護(hù)，在Y型回風(fēng)巷布置抽放管路，沿柔模埋管對(duì)采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽放，可治理采空區(qū)瓦斯及因底板裂隙上涌的3#煤瓦斯，如圖5所示。

圖5 采空區(qū)柔模埋管投放

卸壓穿層鉆孔：使用ZDY3200S型鉆機(jī)，鉆頭94 mm，鉆桿73 mm。鉆孔設(shè)計(jì)為每組間距10 m，每組5個(gè)，孔間距1 m，穿3#煤層底板0.5 m，終孔間距10 m，封孔深度6 m。每組鉆孔施工完畢后并入卸壓專用抽放管路，用于3312預(yù)抽及3212回采后，3312煤層卸壓抽放。3212軌道巷累計(jì)施工114組，鉆孔工程量18 924 m(圖6)。

圖6 軌道巷側(cè)卸壓穿層鉆孔布置圖及剖面圖

采空區(qū)埋管：沿3212回風(fēng)巷每隔20 m在柔模體埋入一根DN150抽放管，長(zhǎng)度為2 m，抽放管法蘭盤距柔模體150 mm，與瓦斯抽放軟管連接并入采空區(qū)專用抽放管進(jìn)行瓦斯抽放。

瓦斯治理效果：3212工作面于2010年10月開(kāi)始回采，2013年12月回采完畢(2011年“8·7”透水)，經(jīng)長(zhǎng)期鉆孔數(shù)據(jù)采集，采空區(qū)抽放單孔濃度3.2%～9%，總管路濃度5%～8%，回采完畢后期采空總管路濃度降至2%～3%。3212順槽卸壓鉆孔單孔濃度最高達(dá)95%，卸壓抽放管路最高濃度59%，回采完畢后期卸壓總管路濃度降至4%。累計(jì)抽放瓦斯352.6萬(wàn)m3。瓦斯含量下降42.8%，瓦斯壓力降至0.69 MPa，使被保護(hù)煤層3312工作面喪失突出危險(xiǎn)性。

2.3 掘進(jìn)期間瓦斯治理及防突工作

3312工作面通過(guò)前期2#煤保護(hù)層開(kāi)采及卸壓穿層鉆孔抽放瓦斯治理措施，瓦斯及地應(yīng)力得到有效釋放，順槽掘進(jìn)時(shí)絕對(duì)瓦斯涌出量明顯減少，為遠(yuǎn)距離掘進(jìn)解決了根本性的安全問(wèn)題。但從兩順槽揭露來(lái)看，煤層局部存在撓曲構(gòu)造，引起煤層厚度變化較大，其次層間滑動(dòng)構(gòu)造也比較發(fā)育，煤體破壞程度大，煤體松軟，仍需做好日常瓦斯防治及防突工作。

區(qū)域效果檢驗(yàn)：2#煤保護(hù)層3212工作面開(kāi)采后，掘進(jìn)期間進(jìn)行效果檢驗(yàn)，施工3個(gè)60 m深前探孔，孔徑94 mm，控制至巷道輪廓線外15 m，施工30 m以上時(shí)取煤樣進(jìn)行瓦斯含量測(cè)定，并進(jìn)行區(qū)域驗(yàn)證，確認(rèn)無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)預(yù)留20 m超前距。

本煤層抽放：鉆孔布置采用順層平行鉆孔方式進(jìn)行本每層預(yù)抽，保證瓦斯預(yù)抽均衡，鉆孔布置于運(yùn)、回順槽，孔徑94 mm；孔間距5 m，鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為60 m，偏角5°、仰角為0°，兩順共施工鉆孔460個(gè)，鉆孔量27 600 m。

局部瓦斯釋放孔：當(dāng)工作面區(qū)域驗(yàn)證有突出危險(xiǎn)或遇到地質(zhì)構(gòu)造、煤層厚度變化、煤質(zhì)變軟、有突出預(yù)兆、瓦斯增大等異常情況時(shí)，繼續(xù)采取局部防突措施。在工作面施工10個(gè)8 m深釋放孔，孔徑42 mm，控制至巷道輪廓線外5 m，釋放≥8 h后再進(jìn)行效果檢驗(yàn)，待各項(xiàng)指標(biāo)不超標(biāo)時(shí)方可允許正常掘進(jìn)。

瓦斯治理效果：3312工作面于2016年1月開(kāi)始順槽掘進(jìn)，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》的相關(guān)要求，沿采煤工作面推進(jìn)方向每間隔50 m布置1個(gè)測(cè)定點(diǎn)，采用實(shí)測(cè)煤層殘余瓦斯含量對(duì)工作面區(qū)域防突措施進(jìn)行效果檢驗(yàn)。共施工44個(gè)鉆孔。鉆孔開(kāi)孔位置距離底板1.0 m，孔深不小于30 m，垂直煤壁施工。根據(jù)工作面掘進(jìn)期間瓦斯測(cè)定結(jié)果，工作面絕對(duì)瓦斯含量為4.45～7.75 m3/t，平均5.6 m3/t，其中瓦斯含量最大值位于回順巷自上部聯(lián)巷向下100 m處，最小值位于運(yùn)順自上聯(lián)巷向下600 m處(表1，運(yùn)順、回順檢驗(yàn)鉆孔殘余瓦斯含量統(tǒng)計(jì)表)。且在測(cè)定鉆孔施工過(guò)程中未出現(xiàn)噴孔、頂鉆或其它動(dòng)力現(xiàn)象。因此，3312一期采面采取上保護(hù)2#煤層開(kāi)采結(jié)合3#煤層本煤層順層鉆孔抽采區(qū)域防突措施效果有效。

表1 運(yùn)順、回順檢驗(yàn)鉆孔殘余瓦斯含量統(tǒng)計(jì)表

2.4 局部通風(fēng)管理

3312綜采工作面采用U型方式，兩順槽直接掘進(jìn)至切眼，再由切眼相對(duì)掘進(jìn)至貫通。以3312回順為例，3312回順供風(fēng)經(jīng)285軌道巷、285-4#橫穿、285-4#斜巷、平臺(tái)、回順聯(lián)巷約500 m，順槽1 100 m，切眼預(yù)計(jì)60 m，全長(zhǎng)約1 660 m。

局部通風(fēng)機(jī)選型：掘進(jìn)工作面需風(fēng)量的計(jì)算，局部通風(fēng)機(jī)的選型，是一項(xiàng)繁瑣的過(guò)程，理論計(jì)算風(fēng)量與實(shí)際供風(fēng)量誤差越小，對(duì)后期掘進(jìn)工作面生產(chǎn)越有安全保證。3312回順掘進(jìn)工作根據(jù)礦井目前對(duì)瓦斯?jié)舛裙芾順?biāo)準(zhǔn)提高至0.8%，對(duì)以往風(fēng)量計(jì)算公式Q=100×qCH4×Km3/min。

式中：Q—掘進(jìn)面需風(fēng)量；100—瓦斯?jié)舛炔怀^(guò)1%換算；qCH4—掘進(jìn)絕對(duì)瓦斯涌出量；K—不均衡備用風(fēng)量系數(shù)。

調(diào)整為Q=125×qCH4×Km3/min (同上)。

考慮風(fēng)筒百米漏風(fēng)率，修正后新增計(jì)算公式如下：Q扇=Q/(1-PL/100)m3/min

式中：Q扇—風(fēng)機(jī)工作風(fēng)量；P—漏風(fēng)率；L—巷道掘進(jìn)長(zhǎng)度。

根據(jù)修正后公式，以及按炸藥使用量、同時(shí)作業(yè)人數(shù)、風(fēng)速驗(yàn)算等其他公式計(jì)算，結(jié)合各型號(hào)局部通風(fēng)機(jī)性能曲線和參數(shù)，確定選取2×30 kW對(duì)旋局部通風(fēng)機(jī)。

降阻措施：由3312掘進(jìn)工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖可以看出，在風(fēng)筒延接至3312回順掘進(jìn)工作面開(kāi)口點(diǎn)后，經(jīng)過(guò)5處直角彎道。根據(jù)規(guī)定嚴(yán)格使用彎頭，局部通風(fēng)機(jī)使用托架抬高，與風(fēng)筒成直線，沿線使用鋼絞線吊掛風(fēng)筒，做到：吊掛平直、貼壁貼幫、逢環(huán)必掛、環(huán)環(huán)吃力。

減小漏風(fēng)措施：改進(jìn)風(fēng)筒的接頭方法是防止漏風(fēng)的主要措施之一。因而所有風(fēng)筒的接頭正向插接后，雙反邊壓邊，再使用專用風(fēng)筒連接圈。保證了接頭的連接質(zhì)量，最低限度降低接頭處的漏風(fēng)，并杜絕因工作面停風(fēng)造成的停工誤工現(xiàn)象。風(fēng)筒的破口、裂縫，做到及時(shí)縫補(bǔ)，縫補(bǔ)后要用膠布粘補(bǔ)，損壞嚴(yán)重的風(fēng)筒做到有計(jì)劃及時(shí)更換。

區(qū)隊(duì)管理措施：局部通風(fēng)機(jī)每天必須進(jìn)行一次主、副風(fēng)機(jī)切換，并做好記錄備案；班前班后必須對(duì)風(fēng)機(jī)及沿線風(fēng)筒進(jìn)行仔細(xì)巡查，及時(shí)處理破口、接頭漏風(fēng)等；瓦檢員負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督檢查，做到局部通風(fēng)隱患現(xiàn)場(chǎng)未及時(shí)處理嚴(yán)禁生產(chǎn)；累計(jì)沿接風(fēng)筒至1 200 m時(shí)，備用一組2×50 kW風(fēng)機(jī)，做到超前管理；加強(qiáng)職工通風(fēng)安全思想教育，職工培訓(xùn)等，懂得通風(fēng)安全的重要性，共同創(chuàng)造良好的通風(fēng)安全氛圍。

局部通風(fēng)管理效果：通過(guò)前期瓦斯治理措施實(shí)施，掘進(jìn)期間瓦斯絕對(duì)涌出量最大3.68 m3/min，未出現(xiàn)瓦斯超限及無(wú)計(jì)劃停風(fēng)情況，為遠(yuǎn)距離掘進(jìn)提供了安全保障。3312回風(fēng)順槽進(jìn)入切眼后，與運(yùn)輸順槽側(cè)相對(duì)掘進(jìn)，最終順利貫通，單面掘進(jìn)距離達(dá)1 600 m，取得了較好的效果(表2)。

表2 3312回順掘進(jìn)工作面局部供風(fēng)情況

備注：風(fēng)機(jī)2×30 kW;風(fēng)筒φ=800 mm。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上方案，桑樹(shù)坪煤礦3#煤掘進(jìn)由原來(lái)雙頭施工供風(fēng)距離700～800 m變?yōu)閱晤^施工供風(fēng)距離達(dá)到1 600 m以上，成功地解決了遠(yuǎn)距離掘進(jìn)局部供風(fēng)難題，為礦井采掘接續(xù)做出了有力保障，創(chuàng)造了桑樹(shù)坪煤礦掘進(jìn)長(zhǎng)距離局扇最遠(yuǎn)供風(fēng)記錄。