新景礦綜采工作面Y型通風(fēng)瓦斯治理技術(shù)

劉 飛

(山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

沿空留巷即在工作面回采過程中保留維護(hù)原有巷道作為下一工作面進(jìn)風(fēng)巷使用，有效實(shí)現(xiàn)了無煤柱護(hù)巷和資源節(jié)約高效開采[1]。對于吸附性強(qiáng)、瓦斯含量大的煤層，雖然采用先抽后采、邊采邊抽的治理方式取得了一定效果，但由于工作面回采單位時(shí)間內(nèi)涌出的瓦斯量大，采用U型通風(fēng)方式工作面上隅角及回風(fēng)順槽瓦斯含量經(jīng)常超標(biāo)，嚴(yán)重威脅工作面的安全和高效生產(chǎn)，瓦斯問題一直沒有得到徹底解決，隨著開采深度和開采強(qiáng)度的增加，瓦斯災(zāi)害威脅日益嚴(yán)重[2]。沿空留巷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了Y型通風(fēng)，消除了U型通風(fēng)上隅角產(chǎn)生渦流而導(dǎo)致瓦斯積聚的現(xiàn)象[3]。但回采過程中留巷側(cè)緊鄰采空區(qū)，風(fēng)流負(fù)壓下帶出采空區(qū)留煤瓦斯，同時(shí)上覆鄰近層卸壓瓦斯也會(huì)涌入工作面，留巷段及回風(fēng)巷瓦斯超限現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因此在保持Y型通風(fēng)基礎(chǔ)上，配合采空區(qū)和鄰近層抽放技術(shù)才能有效解決工作面瓦斯超限，才能提高安全開采水平。

1 工作面概況

新景礦位于陽泉市西部，井田面積64.747 km2，其中3#煤層為突出煤層，屬于煤與瓦斯突出礦井。3213綜采工作面井下位于佛洼采區(qū)南翼中部，東為7211工作面(已采)，北隔采區(qū)大巷為3214工作面(正采)，西為3215工作面(正掘)，南為太舊高速公路保護(hù)煤柱。工作面位于525水平，地面標(biāo)高977～1 078 m，工作面標(biāo)高451～522 m，埋藏深度為450～490 m。工作面采長231～222 m，可采走向長1 533 m；煤層總厚1.62～2.88 m，平均煤厚2.50 m，煤體容重為1.4 t/m3，回采率為95%，可采儲量為111.79萬t，煤體瓦斯壓力0.75～1.57 MPa，瓦斯含量7.3～17.82 m3/t，為典型的高突工作面。

工作面直接頂為1.25 m的灰黑色砂質(zhì)泥巖，含植物化石，局部受老頂砂巖沖蝕不存在?；卷敒?.3 m的中粒砂巖，直接底為1.6 m的灰黑色砂質(zhì)泥巖，頂板較為穩(wěn)固，回采過程中很少出現(xiàn)冒頂事故，適用于沿空留巷柔模支護(hù)技術(shù)。

2 沿空留巷Y型通風(fēng)布置方式

沿空留巷是將上一工作面的順槽保留下來留給下一個(gè)工作面使用，因此可以回收留設(shè)的保安煤柱，節(jié)約了大量的煤炭資源，并且少掘一條巷道，有利于采掘部署[4]。沿空留巷采用的兩進(jìn)一回的Y型通風(fēng)方式，即工作面的上、下巷同時(shí)進(jìn)風(fēng)，另一條巷回風(fēng)，這種通風(fēng)方式可以有效防止上隅角瓦斯積聚，并且各種設(shè)備、管道都在新鮮風(fēng)流中，極大地提高了回風(fēng)巷的安全性[5]。3213回采工作面共設(shè)計(jì)有4條通風(fēng)巷道：1條進(jìn)風(fēng)巷，1條第二輔助進(jìn)風(fēng)巷，1條第一輔助進(jìn)風(fēng)巷，1條回風(fēng)巷，即“三進(jìn)一回”Y型通風(fēng)系統(tǒng)，輔助進(jìn)風(fēng)巷通過“柔?！敝ёo(hù)沿采空區(qū)留巷。第一輔助進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷段采用“柔?！眱?nèi)填充鋼筋混凝土巷旁支護(hù)，每段“柔?！背叽鐬殚L3 m，高2.5 m，寬1.5 m。留巷段由于礦壓劇烈，巷道變形嚴(yán)重，每隔5 m間距左右交錯(cuò)加設(shè)木垛支撐巷道頂板。沿空留巷布置方式如圖1所示。

圖1 沿空留巷布置圖

工作面配風(fēng)設(shè)置為進(jìn)風(fēng)巷1 728 m3/min，第一輔助進(jìn)風(fēng)巷798 m3/min，第二輔助進(jìn)風(fēng)巷448 m3/min，回風(fēng)巷2 982 m3/min。輔助進(jìn)風(fēng)巷留巷段通過橫貫與回風(fēng)巷貫通，工作面污風(fēng)經(jīng)回采工作面通過留巷段沿著回采反方向流動(dòng)，同時(shí)采空區(qū)瓦斯也流向留巷段與工作面污風(fēng)混合后匯入回風(fēng)巷，采空區(qū)瓦斯流動(dòng)方向如圖2所示。

圖2 采空區(qū)瓦斯流動(dòng)方向示意圖

3 工作面瓦斯來源及抽采方式

3.1 工作面瓦斯來源

從3#煤層鄰近層關(guān)系及具體開采情況來看，工作面瓦斯涌出來源主要是開采層涌出。開采層瓦斯涌出包括煤壁瓦斯涌出、本煤層落煤和采空區(qū)丟煤瓦斯涌出和工作面下隅角管理不夠，漏風(fēng)較嚴(yán)重?；仫L(fēng)上下隅角放頂不及時(shí)，導(dǎo)致存在較大空間，如上隅角后方由于瓦斯大量涌出，風(fēng)流中有大量瓦斯。3213工作面瓦斯涌出情況見表1。

表1 3213工作面瓦斯涌出情況

3.2 回采前瓦斯抽采方式

在回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽內(nèi)，鉆孔設(shè)計(jì)927個(gè)，單孔深度120 m，鉆孔間距1.5 m，共計(jì)安裝主管路900 m，評價(jià)單元9個(gè)，目前工作面抽采濃度為21%，抽采負(fù)壓為15.9 kPa，混合量55.92 m3/min，純量11.7 m3/min。經(jīng)過8個(gè)月的抽采，煤層瓦斯含量由平均12.82 m3/t降為7.9 m3/t，累計(jì)抽放瓦斯130 000 m3左右，在回采前的抽采大大降低了瓦斯含量，提高了抽放量。

4 采空區(qū)瓦斯治理措施及改進(jìn)

4.1 預(yù)埋管路抽放采空區(qū)瓦斯

采空區(qū)遺煤瓦斯不斷涌出積聚，進(jìn)而在風(fēng)流負(fù)壓下涌向沿空留巷段和回風(fēng)巷內(nèi)，易造成瓦斯超限[6-7]。為保證較高的瓦斯抽采率和工作面安全生產(chǎn)，采用預(yù)埋管路的方法抽取采空區(qū)涌出的瓦斯。具體方法是，利用現(xiàn)有瓦斯抽采系統(tǒng)在回風(fēng)巷新安設(shè)一趟φ530 mm的瓦斯抽放管，伸入回風(fēng)巷閉墻以里700 mm，利用瓦斯抽采負(fù)壓形成的引導(dǎo)動(dòng)力，對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行定向引流，采空區(qū)及封閉區(qū)積聚的瓦斯流入抽放管路中，從而減少瓦斯向留巷段及回風(fēng)巷的涌出。留巷與回風(fēng)巷每過一個(gè)橫貫封閉一次，并啟封下一橫貫臨時(shí)閉墻作通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷用，每封閉一次，將上一閉墻外瓦斯抽放管路截?cái)啵姑看瓮咚钩榉殴芫斐鲂路忾]墻700 mm用以抽采此段采空區(qū)涌出的瓦斯。預(yù)埋管路抽放采空區(qū)瓦斯布置如圖3所示。

圖3 預(yù)埋管路抽采布置圖

4.2 鄰近層鉆孔抽采卸壓瓦斯

上鄰近層處于不同的變形帶，煤層卸壓及瓦斯釋放情況不同，處于垮落帶的近距離鄰近層，容易受到破壞而很快冒落，對抽放不利，處于裂隙帶的鄰近層，得到充分卸壓，利于抽放。工程實(shí)踐表明，鄰近層終孔布置于裂隙帶中下部抽采效果最佳，工程實(shí)踐表明，鄰近層終孔布置于裂隙帶中下部抽采效果最佳[8]。根據(jù)新景礦3213工作面圍巖地質(zhì)情況及實(shí)踐，裂隙帶最大高度一般為8～10倍采高，即20～25 m，鄰近層鉆孔終孔垂高設(shè)計(jì)為15.3 m，伸入工作面投影長度25 m，鉆孔共設(shè)計(jì)126個(gè)，鉆孔長度51.8 m，設(shè)計(jì)角度17.2°。

當(dāng)工作面周期來壓期間，由于上覆巖層受到采動(dòng)區(qū)域影響來壓劇烈，頂板垮落變形，處于裂隙帶的1#、2#鄰近煤層受到頂板壓力影響出現(xiàn)大范圍變形斷裂。鄰近層原富含瓦斯的高應(yīng)力區(qū)煤體得到卸壓，其賦存瓦斯劇烈涌出，由于鉆孔抽采范圍有限，無法滿足要求而致使出現(xiàn)采空區(qū)和上隅角瓦斯超限的危險(xiǎn)，且單孔抽采范圍邊界區(qū)域抽采量很小。當(dāng)周期來壓區(qū)域正好處于抽采范圍邊緣區(qū)，由于瓦斯涌出量大，鉆孔往往無法有效滿足抽采要求。因此，鉆孔間距既要小于周期來壓步距，又要使相鄰兩孔抽采范圍能有一定程度上的重疊交匯。根據(jù)對現(xiàn)場來壓統(tǒng)計(jì)，3213工作面周期來壓步距為12.5～14.8 m，平均為13.6 m。結(jié)合單孔抽采半徑，確定鄰近層鉆孔間距以10 m為宜?？傇O(shè)計(jì)工程量為6 526 m，布孔方案如圖4所示。

a-平面布置圖；b-剖面布置圖圖4 鄰近層鉆孔布置示意圖

4.3 瓦斯治理效果及改進(jìn)計(jì)劃

3213綜采工作面應(yīng)用沿空留巷Y型通風(fēng)系統(tǒng)配合預(yù)埋管路抽采和鄰近層卸壓抽放等采空區(qū)瓦斯治理措施。通過監(jiān)測統(tǒng)計(jì)可知，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.6%，較原3214工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛?.8%下降了25%，上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.7%以下。工作面瓦斯總涌出量為59.64 m3/min，其中風(fēng)排瓦斯量16.48 m3/min，降低了5.54 m3/min；瓦斯抽采量43.14 m3/min，增加了4.42 m3/min，抽采率為72.3%，提高了8.5%，瓦斯治理效果顯著。

工作面采用沿空留巷Y型通風(fēng)技術(shù)通過改變采空區(qū)瓦斯流動(dòng)方向有效改善了上隅角瓦斯積聚問題，但同時(shí)也帶來了一些問題。從現(xiàn)場情況來看，沿空留巷段礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道變形嚴(yán)重，最嚴(yán)重處行人通過出現(xiàn)一定困難。導(dǎo)致巷道風(fēng)阻較大，對保障回風(fēng)風(fēng)量帶來了困難。因此如何有效降低沿空留巷段礦壓顯現(xiàn)問題是下一步突破沿空留巷技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵，可以針對相關(guān)問題采取以下技術(shù)手段：①通過起底等方式增加巷道斷面，同時(shí)保證巷道表面的光滑度，從而減少巷道風(fēng)阻；②成立礦壓研究小組，有針對性的對礦壓規(guī)律進(jìn)行研究，根據(jù)實(shí)際情況制定專項(xiàng)支護(hù)方案；③推進(jìn)水力壓裂切頂?shù)捻?xiàng)目的順利開展，通過水力壓裂技術(shù)切斷老頂，減小老頂破斷距的方式降低礦壓顯現(xiàn)。

5 結(jié)論

(1)工作面采用沿空留巷布置方法實(shí)現(xiàn)了Y型通風(fēng)，對回風(fēng)巷回采段采用柔模支護(hù)，有效改變了原U形通風(fēng)采空區(qū)瓦斯流動(dòng)方向，避免了渦流產(chǎn)生，大大減少了采空區(qū)漏風(fēng)，避免回風(fēng)上隅角瓦斯積聚。

(2)針對采空區(qū)遺煤瓦斯和鄰近層卸壓瓦斯涌出問題，應(yīng)用了預(yù)埋管路抽放和鄰近層鉆孔等采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)。結(jié)合工程地質(zhì)實(shí)況，研究了鄰近鉆孔的合理布孔參數(shù)，確定布孔層位為距煤層15.3 m，布孔間距10 m。

(3)從應(yīng)用效果來看，上隅角和回風(fēng)瓦斯?jié)舛缺３衷诤侠矸秶鷥?nèi)，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉档土?5%，上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.7%以下，有效保障了工作面的安全生產(chǎn)。