雙U 通風(fēng)方式在高瓦斯礦井綜采工作面瓦斯綜合治理中的應(yīng)用

黃 華，段春生，張 立

（1.山西省晉神能源有限公司，山西 忻州 036599；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

0 引 言

煤礦井下開采過程中，瓦斯是制約礦井安全高效生產(chǎn)的主要因素之一，尤其是對采煤工作面安全回采影響最為明顯[1-2]。部分高瓦斯礦井采煤工作面在回采前雖然采取煤層瓦斯超前預(yù)抽措施，但由于受地質(zhì)條件、抽采技術(shù)、生產(chǎn)工藝等條件制約，工作面回采期間采空區(qū)及煤壁集中涌出的瓦斯還需通過通風(fēng)的方法進(jìn)行稀釋并排出?？茖W(xué)合理的通風(fēng)方式和足夠的配風(fēng)量能夠減少工作面瓦斯積聚，提高瓦斯排放量，對工作面瓦斯治理起到關(guān)鍵作用[3-4]。本文以晉控陽村煤業(yè)1308 工作面為例，對工作面瓦斯抽采技術(shù)和通風(fēng)方式進(jìn)行研究，提出工作面并列雙U 型通風(fēng)布置方式，并在工作面進(jìn)行應(yīng)用。

1 工程概況

1.1 工作面通風(fēng)系統(tǒng)

晉控陽村煤業(yè)礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2.0 Mt/a，主采5 號煤層和9 號煤層，屬于高瓦斯礦井。礦井絕對瓦斯涌出量為221.05 m3/min，相對瓦斯涌出量為75.12 m3/t。III1308 工作面位于礦井5 號煤層三盤區(qū)，現(xiàn)主采5 號煤層，煤層平均厚度2.8 m，采用綜合機(jī)械化分層開采工藝，工作面切巷長182 m。工作面通風(fēng)系統(tǒng)原采用的是“三進(jìn)一回”通風(fēng)方式，即III13081、III13083 和III13085 巷道進(jìn)風(fēng)，3條巷道配風(fēng)量分別為600、600 和1 100 m3/min，III13082 巷道回風(fēng)，配風(fēng)量為2 400 m3/min。工作面正常生產(chǎn)期間，工作面瓦斯?jié)舛仍?.25%～0.40%，上隅角瓦斯?jié)舛仍?.45%～0.65%，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛仍?.40%～0.60%，工作面風(fēng)排瓦斯量平均值為6.58 m3/min。

1.2 工作面抽采系統(tǒng)

工作面抽采系統(tǒng)主要采用的方式為本煤層抽放、采空區(qū)抽放和地面采動井抽放[5-6]。

（1）本煤層抽放系統(tǒng)，在工作面III13081 和III13083 兩條巷道內(nèi)分別安裝1 趟φ300 mm 的瓦斯抽放管路，在巷道內(nèi)向工作面施工順層鉆孔后進(jìn)行封孔抽放，III13081 和III13083 兩條巷道抽采管路中瓦斯抽采純量分別達(dá)到2.82 m3/min 和2.86 m3/min。

（2）采空區(qū)抽放系統(tǒng)，在III13082 回風(fēng)巷內(nèi)安裝1 趟φ300 mm 的抽放管，利用在高位鉆場內(nèi)施工的高位鉆孔和橫川插管的方式對工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽采，抽采管路中的瓦斯抽采純量達(dá)到19.18 m3/min。

（3）地面采動井抽放系統(tǒng)，在III1308 工作面開采區(qū)域范圍內(nèi)的地面對應(yīng)位置開鑿了2 個(gè)采動井，其中1 號采動井布置在距工作面切巷位置312 m，2 號采動井距工作面切巷位置842 m 位置處，目前該系統(tǒng)暫未使用。

2 工作面抽采系統(tǒng)優(yōu)化

III1308 工作面回采期間瓦斯涌出量主要來源于采空區(qū)，其涌出量占工作面瓦斯總涌出量的68%左右。為提高采空區(qū)瓦斯抽放量，在原抽采系統(tǒng)的基礎(chǔ)上通過對工作面采空區(qū)抽采系統(tǒng)優(yōu)化，采取多種措施來降低工作面采空區(qū)瓦斯積聚量和風(fēng)排瓦斯量。

（1）利用大孔徑高位鉆孔對工作面采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采。在III13082 巷道內(nèi)的第3 橫川、第11 橫川和輔助回風(fēng)巷內(nèi)利用千米定向鉆機(jī)向工作面采空區(qū)方向施工孔徑為113 mm 的大孔徑高位抽采鉆孔對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放。鉆孔沿巷道頂板施工，終孔位置距工作面頂板6～7 倍采高處的裂隙帶中，鉆孔抽采控制范圍為沿工作面傾向方向30 m，走向方向250～300 m。

（2）在工作面順槽內(nèi)施工高位鉆場，在鉆場內(nèi)施工頂板高位鉆孔對采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽放。分別在III13082 巷道內(nèi)的第8 橫川和19 橫川內(nèi)布置高位鉆場，高位鉆場沿與巷道垂直方向布置，按+25°坡度施工25 m 后在施工5 m 長平巷，巷道采用錨網(wǎng)索支護(hù)，巷寬4 m，高2.5 m，每個(gè)高位鉆場內(nèi)共設(shè)計(jì)施工24 個(gè)高抽鉆孔，分別布置在巷道的左右?guī)图罢胺?。工作面綜合瓦斯治理抽采鉆孔布置如圖1 所示。

圖1 III1308 工作面綜合瓦斯治理措施鉆孔布置Fig.1 Drilling arrangement of comprehensive gas control measures in III1308 working face

（3）開啟地面采動井抽放系統(tǒng)，對工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽放。在工作面回采超過地面1號采動井50 m 位置時(shí)開啟地面1 號采動井開始對工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽放，減少工作面采空區(qū)瓦斯涌出量。地面采動井抽放系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 III1308 工作面地面采動井布置示意Fig.2 Layout of ground mining wells in III1308 working face

（4）工作面上隅角埋管抽放。在工作面回采期間對上隅角使用磚垛密閉后埋入D225 mm 抽放管，抽放管末端管路改為D50 mm 篩管（圖3），上隅角抽放管與順層抽放系統(tǒng)連接，隨工作面向前推進(jìn)進(jìn)行向外挪移，對工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯進(jìn)行抽放。

圖3 II1308 工作面上隅角埋管抽放布置示意Fig.3 Drainage layout of buried pipe at corner in III1308 working face

3 工作面通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 并列雙U 通風(fēng)方式基本工作原理

并列雙U 通風(fēng)系統(tǒng)工作的基本原理是在工作面上下順槽設(shè)計(jì)布置2 條進(jìn)風(fēng)巷、2 條回風(fēng)巷共計(jì)4 條巷道，其中進(jìn)風(fēng)順槽同時(shí)兼做工作面主要運(yùn)輸巷[7-8]。在工作面回采過程中，工作面煤體內(nèi)吸附的瓦斯會形成游離狀態(tài)從工作面進(jìn)入到采空區(qū)內(nèi)和上隅角，由于工作面上隅角通風(fēng)不暢，容易導(dǎo)致上隅角瓦斯積聚造成超限。并列雙U 通風(fēng)系統(tǒng)主要作用是改變上隅角風(fēng)流狀態(tài)，對工作面上隅角內(nèi)的瓦斯進(jìn)行稀釋，降低上隅角瓦斯?jié)舛?，達(dá)到工作面合理配風(fēng)要求[9-10]。同時(shí)，隨著工作面推進(jìn)時(shí)采空區(qū)面積越來越大，在風(fēng)壓作用下，工作面涌出的瓦斯被引進(jìn)外圈U 型回風(fēng)系統(tǒng)中，在工作面運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭處采空區(qū)漏風(fēng)量控制好的基礎(chǔ)上，能夠防止采空區(qū)出現(xiàn)大量瓦斯集中涌出造成上隅角瓦斯超限現(xiàn)象。

3.2 工作面并列雙U 通風(fēng)優(yōu)化方案

對III1308 工作面原“三進(jìn)一回”通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，改為“兩進(jìn)兩回”并列雙U 型通風(fēng)方式，即III13083 和III13085 巷道進(jìn)風(fēng)，III13081 和III13082 巷道進(jìn)行回風(fēng)，巷道之間每間隔200 m 布置1 條聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行連接。其中III13083 進(jìn)風(fēng)巷與III13081 回風(fēng)巷形成內(nèi)U 型通風(fēng)系統(tǒng)，III13085 進(jìn)風(fēng)巷與III13082 回風(fēng)巷形成外圈U 型通風(fēng)系統(tǒng)，兩條通風(fēng)系統(tǒng)均為獨(dú)立的全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)，具體通風(fēng)系統(tǒng)布置如圖4 所示。

圖4 III1308 工作面雙U通風(fēng)系統(tǒng)布置Fig.4 Layout of double U ventilation system in III1308 working face

4 優(yōu)化后瓦斯抽采效果分析

（1）大孔徑高位鉆孔瓦斯抽采效果分析。

工作面采用大孔徑抽采鉆孔進(jìn)行抽放后，預(yù)測效果如圖5 所示。

圖5 大孔徑高位鉆孔瓦斯抽采效果Fig.5 Gas drainage effect of large aperture high level borehole

根據(jù)圖5 分析可知，工作面采用并列雙U 通風(fēng)系統(tǒng)后，在工作面回采推進(jìn)過程中，隨著采空區(qū)跨落時(shí)大孔徑高位鉆孔被不斷揭露后，其對采空區(qū)內(nèi)的瓦斯抽采量不斷增加，有效控制了采空區(qū)內(nèi)的瓦斯集中向工作面涌出，由圖中分析可知，預(yù)計(jì)大孔徑高位鉆孔抽放采空區(qū)內(nèi)的瓦斯平均濃度能夠達(dá)到15 m3/min。

（2）高位鉆場瓦斯抽采效果分析。

采用高位鉆場對工作面采空區(qū)瓦斯抽采后，預(yù)測效果如圖6 所示。根據(jù)圖6 分析可知，隨著工作面不斷向前回采推進(jìn)，從高位鉆場向工作面施工的抽采鉆孔被不斷揭露后，瓦斯抽采濃度不斷提高，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯集中涌出現(xiàn)象得到有效抑制，給工作面試驗(yàn)采用并列雙U 通風(fēng)方式打下了有利條件。在工作面試驗(yàn)采用并列雙U 通風(fēng)方式后，預(yù)計(jì)高位鉆場抽采工作面采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛绕骄軌蜻_(dá)到25 m3/min。

圖6 高位鉆場鉆孔瓦斯抽采效果Fig.6 Effect of borehole gas drainage in high drilling field

（3）采動井抽采效果分析。

根據(jù)以往礦井采用采動井抽采工作面瓦斯情況及當(dāng)前工作面實(shí)際情況，預(yù)測III1308 工作面利用采動井抽放瓦斯時(shí)抽放濃度能夠達(dá)到30%～35%，瓦斯抽采量能夠達(dá)到4～6.5 m3/min。

（4）隅角抽放效果分析。

根據(jù)礦井以往工作面上隅角埋管抽放瓦斯情況，預(yù)測III1308 工作面采用該抽放方式后上隅角瓦斯抽放濃度能夠達(dá)到4%～5%，瓦斯抽采量能夠達(dá)到1.0～2.0 m3/min。

采取以上瓦斯抽采措施后，在工作面試驗(yàn)采用并列雙U 通風(fēng)方式后，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯抽采量預(yù)計(jì)能夠達(dá)到45 m3/min 以上。

5 抽采效果檢驗(yàn)

5.1 并列雙U 通風(fēng)系統(tǒng)配風(fēng)情況

工作面采用并列雙U 通風(fēng)系統(tǒng)配風(fēng)情況如下。

（1）工作面內(nèi)圈雙U 通風(fēng)系統(tǒng)，III13083 進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)配備的風(fēng)量為1 050 m3/min，III13081 回風(fēng)巷配備的風(fēng)量為1 100 m3/min。

（2）工作面外圈雙U 通風(fēng)系統(tǒng)，III13085 進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)配備的風(fēng)量為900 m3/min，III13082 回風(fēng)巷配備的風(fēng)量為920 m3/min。

5.2 工作面實(shí)際瓦斯抽采情況

工作面在采用并列雙U 通風(fēng)方式后，通過對各抽采措施抽放的瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集分析，具體情況如下。

（1）本煤層瓦斯抽采情況。

III13081 和III13083 兩條巷道內(nèi)安裝的抽采支管抽放的瓦斯?jié)舛确謩e為11%和14%，抽采純量分別為0.9 m3/min 和0.7 m3/min。

（2）高位鉆場鉆孔抽采瓦斯情況。

在III13082 巷道內(nèi)的第8 橫川和19 橫川內(nèi)布置高位鉆場抽采的瓦斯?jié)舛确謩e為9.5%和14%，瓦斯抽采純量分別為0.1 m3/min 和1.6 m3/min。

（3）大孔徑高位鉆孔瓦斯抽采情況。

在III13082 巷道內(nèi)的第3 橫川和輔助回風(fēng)巷內(nèi)施工的大孔徑高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛确謩e為50%和12%，抽采純量分別為5.0 m3/min 和4.1 m3/min。

（4）地面采動井瓦斯抽采情況。

地面1 號采動井開啟后，經(jīng)計(jì)量抽采瓦斯?jié)舛冗_(dá)到53%，瓦斯抽采純量達(dá)到3.8 m3/min。

（5）上隅角瓦斯抽采情況。

通過對上隅角瓦斯抽放情況進(jìn)行計(jì)量，工作面回采期間上隅角瓦斯抽采濃度為4.8%，抽采純量為1.6 m3/min。

5.3 工作面回采期間瓦斯情況

采用并列雙U 通風(fēng)方式后，工作面正常生產(chǎn)期間，經(jīng)觀測，工作面瓦斯?jié)舛葹?.15%～0.25%，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.25%～0.40%，回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.30%～0.50%。工作面風(fēng)排瓦斯量為2.5～4.5 m3/min，平均3.2 m3/min。

6 結(jié) 語

通過現(xiàn)場實(shí)踐驗(yàn)證，綜采工作面在采用并列雙U 通風(fēng)方式的基礎(chǔ)上，通過采取瓦斯聯(lián)合抽采治理措施對工作面本煤層和采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，有效抑制了采空區(qū)內(nèi)瓦斯積聚集中大量涌出，杜絕了工作面及上隅角瓦斯超限問題，降低了工作面風(fēng)排瓦斯量，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)，為類似條件下綜采工作面瓦斯治理提供了技術(shù)參考，具有極大的推廣價(jià)值。