高瓦斯礦井“Y”型通風(fēng)瓦斯治理系統(tǒng)的應(yīng)用

劉利兵

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司防突隊，山西 陽泉 045000）

0 引言

瓦斯是煤在碳化過程中產(chǎn)生的一種氣體，在綜采工作面采煤過程中，賦存于原先煤體中的瓦斯以氣體的方式被釋放出來，在巷道或工作面內(nèi)增加到一定程度后，如果被點燃就會發(fā)生爆炸，對煤礦工人的生命健康造成了嚴重的影響[1]。隨著開采深度的增加，煤礦事故的發(fā)生率也越來越高，特別是瓦斯爆炸事故[2-4]。在高瓦斯礦井的治理工作中，不僅需要對瓦斯進行抽采，減少瓦斯?jié)舛龋€需要提高工人的安全意識，從根源上解決問題。

新景礦作為高瓦斯礦井，瓦斯治理工作也是礦井的重點項目。礦井開采的3#煤是瓦斯突出煤層，回采面通風(fēng)系統(tǒng)從“U+L”型發(fā)展到“Y”型，隨著生產(chǎn)需要，本著提高通風(fēng)安全、降本增效理念，繼續(xù)探索和改進著回采面的通風(fēng)方式。近年新景礦在3#煤回采面“沿空留巷”和“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用切實起到了瓦斯治理效果，現(xiàn)對實踐應(yīng)用進行分析。

1 工程概況

佛洼區(qū)3216 綜采工作面標(biāo)高517～556 m，埋藏深度為500 m，工作面走向方向長1 390 m，傾斜方向長216 m，面積為300 240 m2，煤層平均煤厚2.39 m。所采煤層原生裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡單，屬近水平中厚煤層，其厚度在1.86～2.95 m 左右，平均為2.40 m。

3#煤3216 綜采工作面每日生產(chǎn)大約為4 500 t，風(fēng)排瓦斯量為10.75m3/min，瓦斯抽放量為26.09m3/min，絕對瓦斯涌出總量為36.84 m3/min。3216 工作面瓦斯主要來源于本煤層工作面開采所釋放的瓦斯、采空區(qū)和鄰近層的瓦斯涌出，瓦斯具體參數(shù)，如表1 所示。

表1 3#煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)表

2 “Y”型通風(fēng)瓦斯治理系統(tǒng)

2.1 “Y”型通風(fēng)系統(tǒng)簡介

如圖1 所示，新景礦所采用的通風(fēng)系統(tǒng)為“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)，紅色箭頭代表進風(fēng)，有兩條一條回風(fēng)。通風(fēng)路線為地面新鮮空氣→佛洼進風(fēng)井→佛洼煤層軌道巷→二區(qū)煤層軌道巷→3216 進風(fēng)巷→3216 工作面→3216 回風(fēng)巷→佛洼北翼回風(fēng)巷 →佛洼回風(fēng)井→地面。其具體的“Y”型通風(fēng)系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 “Y”型通風(fēng)系統(tǒng)

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)量計算

按瓦斯涌出量計算，如式（1）～式（2）的所示：

式中：Q采工為工作面實際需要風(fēng)量；q采風(fēng)為工作面平均風(fēng)排瓦斯量,取10.75 m3/min；Q采回為回風(fēng)巷實際需要風(fēng)量；KCH4為風(fēng)流瓦斯涌出不均衡系數(shù)，取1.7。

由以上計算得：3216 工作面需風(fēng)量為1 523 m3/min，工作面回風(fēng)巷需風(fēng)量為2 285 m3/min。

2.3 瓦斯治理措施

1）分別在3216 本煤層、鄰近層和采空區(qū)進行鉆孔預(yù)抽采。在工作面兩側(cè)分別鉆孔，封孔深位于距孔口8～16 m 處，封孔段長度不小于7 m。3216 工作面、鄰近層和采空區(qū)瓦斯抽采選用佛洼地面瓦斯抽采泵站負擔(dān)，泵站型號為2BEC72，額定流量為500 m3/min（鄰近層和采空區(qū)為600 m3/min）具體抽采路線，如圖2 所示。

圖2 3216 工作面、鄰近層和采空區(qū)瓦斯抽采路線

2）對采空區(qū)采取防漏風(fēng)措施[5]。沿空留巷支模期間，采用噴漿、噴灑快速密閉等措施對沿空留巷柔模與頂?shù)装彘g，柔模與柔模間進行堵漏風(fēng)處理，防止沿空留巷向采空區(qū)漏風(fēng)；工作面生產(chǎn)期間，及時對進落山頂板采用退錨、剪網(wǎng)等措施，不能讓采空區(qū)頂板處于懸掛狀態(tài)，防止向采空區(qū)漏風(fēng)；懸掛風(fēng)幕以減少漏風(fēng)，要求風(fēng)幕能覆蓋從煤幫到支架的整個斷面。

3）進行瓦斯突出危險性預(yù)測。以采用鉆屑法、瓦斯涌出初速度法等方法，通過判斷鉆屑的溫度或者是煤體的溫度等預(yù)測掘進巷道是否有瓦斯突出危險性。沿著工作面每隔10 m 左右布置預(yù)測鉆孔，孔深一般大于3 m，對工作面采煤時進行瓦突預(yù)測。之后對工作面瓦斯突出危險性由專業(yè)檢驗人員檢驗，如果無突出危險性，則可進行安全生產(chǎn)。

4）建立瓦斯抽采系統(tǒng)，完善瓦斯抽采管理制度。為了減小瓦斯抽采的時間，讓工作面盡快投入生產(chǎn)，可以在開切眼前一定距離布置橫向和縱向鉆孔，除此之外，還要合理安排抽、掘、采接替關(guān)系，按期檢查瓦斯抽采裝置和瓦斯?jié)舛萚6-7]，保證瓦斯抽采效果。

3 “Y”型通風(fēng)方式數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬模型建立

根據(jù)新景礦工作面實際情況，走向長1 390 m，傾斜長216 m，面積為300 240 m2，煤層平均煤厚2.39 m。設(shè)定工作面尺寸為2.5 m×250 m×4 m，采空區(qū)尺寸設(shè)定為220 m×250 m×2.5 m，回風(fēng)巷和兩個進風(fēng)巷尺寸設(shè)定為100 m×2.5 m×4 m，采用自動網(wǎng)格劃分法得到的采空區(qū)模型圖，如圖3 所示，時間步長設(shè)置為1 h，具體參數(shù)如表2 所示。

圖3 采空區(qū)模型圖

表2 模型參數(shù)表

3.2 模擬結(jié)果分析

新景礦3216 綜采工作面實際供風(fēng)量為1523m3/min，將供風(fēng)比a 視為1，研究當(dāng)供風(fēng)比減少0.25，增加0.25 和0.5 時的瓦斯體積分數(shù)，這四種情況下的瓦斯分布圖，如圖4 所示。當(dāng)供風(fēng)比減少0.25 時，瓦斯體積分數(shù)處于50%以上的增加了幾乎一半以上；當(dāng)供風(fēng)比增加0.25 時，瓦斯體積分數(shù)降低不明顯，但相比于原來的也改善了很多；當(dāng)供風(fēng)比增加0.5 時，瓦斯體積分數(shù)處于50%以上的區(qū)域反而增加了很多。

圖4 瓦斯體積分數(shù)變化圖

瓦斯體積分數(shù)隨工作面傾向距離變化，如圖5 所示。從圖5 中可以發(fā)現(xiàn)，隨著離進風(fēng)側(cè)越來越遠，瓦斯體積分數(shù)從0 開始增加到1 左右，在距離回風(fēng)巷10 m左右時，瓦斯體積分數(shù)迅速減少；紅色曲線所代表的供風(fēng)比為0.75 的瓦斯體積分數(shù)，離進風(fēng)側(cè)越遠增加得越快；當(dāng)a=1.5 時，由于采空區(qū)存在漏風(fēng)使得空間中的瓦斯量增加，現(xiàn)有的供風(fēng)條件抽采不能滿足需求，采空區(qū)瓦斯體積分數(shù)甚至遠超供風(fēng)比為1 的瓦斯體積分數(shù)。

圖5 瓦斯體積分數(shù)隨進風(fēng)側(cè)距離變化

3.3 預(yù)抽瓦斯效果分析

當(dāng)供風(fēng)比為1.25 時，預(yù)抽瓦斯效果分析如下：

1）采煤工作面回采前煤的可解析瓦斯量應(yīng)達到的指標(biāo)，如表3 所示。

表3 工作面回采前可解析瓦斯量應(yīng)達到的指標(biāo)

3216 工作面最大可解析瓦斯含量為Wj=5.1 m3/t≤5.5 m3/t，符合規(guī)定。

2）瓦斯涌出量來源于鄰近層的采煤工作面，工作面瓦斯抽采率的計算方法，如式（3）所示：

式中：ηm為工作面瓦斯抽采率；Qmc為月平均瓦斯抽采量，20.69；Qmf為當(dāng)月工作面風(fēng)排瓦斯量，10.75。代入數(shù)值計算得ηm=70.81%。

采煤工作面瓦斯抽采率70.81 大于應(yīng)達到的指標(biāo)20%到40%，完全符合標(biāo)準(zhǔn)。

3）工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛龋?216 工作面回風(fēng)流中平均瓦斯體積分數(shù)為0.23%，低于0.8%，符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 “Y”型通風(fēng)優(yōu)點

新景礦作為高瓦斯礦井，其開采的3#煤是突出煤層，回采面通風(fēng)系統(tǒng)從“U+L”型發(fā)展到“Y”型?！癠+L”型的通風(fēng)方式相比于“Y”型，該方式巷道布置簡單巷道便于維護，由于瓦斯流場的特殊性，常造成工作面上隅角瓦斯?jié)舛却笥诘V井安全標(biāo)準(zhǔn)[8]。而工作面“Y”型通風(fēng)方式需要在采空區(qū)的一側(cè)留設(shè)一條巷道，巷道的維護工作量較大但也有其優(yōu)點[9]。相比“U+L”型通風(fēng)Y 型通風(fēng)方式有以下優(yōu)點：

1）沿空留巷的巷道正好處在采空區(qū)一邊，因此采空區(qū)的瓦斯會直接進入回風(fēng)巷，上隅角瓦斯?jié)舛瘸薜膯栴}也改善了很多。

2）由于有兩條進風(fēng)巷，工作面的新鮮風(fēng)流得到了很大的保證，工人的工作環(huán)境也相對較好。

3）沿空留巷，由于其處在應(yīng)力降低區(qū)，因此避免了留設(shè)很寬的煤柱，從而提高了煤炭資源的利用率。

4）兩條進風(fēng)巷使得工作面通風(fēng)風(fēng)量增加，由于開采所產(chǎn)生的瓦斯?jié)舛茸兊酶?，溫度也降低了很多[10]。

4 結(jié)論

通過在3216 本煤層、鄰近層和采空區(qū)進行鉆孔預(yù)抽采，對采空區(qū)采取防漏風(fēng)措施，工作面瓦斯突出危險性預(yù)測，配合沿空留巷和采用供風(fēng)比為1.25 時的工作面“Y”型通風(fēng)方式，應(yīng)用結(jié)果表明，新景礦3216 工作面瓦斯抽采率高達70.81%，回風(fēng)流中平均瓦斯?jié)舛葍H為0.23%，工作面通風(fēng)風(fēng)量增加，風(fēng)排瓦斯能力增強，瓦斯治理效果顯著，改善了工人作業(yè)環(huán)境，保障了礦井的安全高效生產(chǎn)。