高瓦斯工作面通風方式的適用性分析及瓦斯防治技術(shù)

朱曉慧

(山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司,山西 長治 046600)

山西霍爾辛赫煤礦年產(chǎn)4.0 Mt/a,批準開采3號煤層,煤層平均厚度5.65 m,煤層傾角3°～ 6°,平均4°。2012年礦井被鑒定為高瓦斯礦井,礦井絕對瓦斯涌出量為64.08 m3/min,相對瓦斯涌出量為9.74 m3/t[1],井下采煤工作面采用雙U型通風方式。雙U型通風方式雖然增加了工作面的風量,但存在以下缺點:1)由于兩進兩回之間的聯(lián)絡巷增加了保護煤柱,導致資源浪費,不符合國家資源合理、安全、節(jié)約利用的要求;2)聯(lián)絡巷之間普遍有串風和漏風的現(xiàn)象,存在嚴重的安全隱患;3)掘進和密閉的工作量也較大;4)外U的專排瓦斯尾巷不符合《煤礦安全規(guī)程》(2016版)的規(guī)定[2]。因此,雙U型通風方式已經(jīng)不適合霍爾辛赫煤礦安全、高效生產(chǎn)的要求，亟需尋求更適合霍爾辛赫煤礦井下生產(chǎn)條件的通風方式以及相對應的瓦斯治理技術(shù)。

1 不同通風方式優(yōu)缺點分析

目前,各礦區(qū)根據(jù)自身生產(chǎn)地質(zhì)條件的不同,分別實踐了不同的工作面通風方式[3],本文針對常用的幾種通風方式進行分析,如雙U型、單U型、Y型、偏Y型等通風方式。從巷道布置、風流分配、通風系統(tǒng)管理以及風排瓦斯等方面,對比分析了各通風方式的優(yōu)缺點及適應性。

1.1 雙U型通風方式

該通風方式需布置四條巷道,雙巷進風,雙巷回風。其中本工作面進風巷、回風巷與切眼組成內(nèi)圈U型,輔助進風巷、瓦斯排放尾巷與輔助切眼組成外圈U型,如圖1所示。

圖1 雙U型通風方式示意圖Fig.1 Double U-shaped ventilation

采用雙U型通風方式的優(yōu)點是:工作面風流較穩(wěn)定,有效的增加了供風量,風量的提高使得風排瓦斯效果顯著,并大大增加了采空區(qū)瓦斯的排放范圍,提高了工作面的抗災能力。缺點是:為了形成通風系統(tǒng)需要施工四條工作面回采巷道及大量的聯(lián)絡巷,大大增加了巷道掘進工程量;并且較多的聯(lián)絡巷導致漏風量也相應增多,增大了通風系統(tǒng)的管理難度;切頂線以里排瓦斯巷、聯(lián)絡巷和上隅角通道維護工程量大，降低了采區(qū)回采率。

目前,《煤礦安全規(guī)程》(2016版)取消了專用排瓦斯巷的規(guī)定,因此所有回采巷道均按工作面回風巷道管理,即瓦斯?jié)舛炔坏贸^1%,雙U型通風方式越來越難以滿足高瓦斯礦井高產(chǎn)高效的要求。

1.2 單U型通風方式

單U型通風方式是一進一回,優(yōu)點是通風系統(tǒng)簡單、通風構(gòu)筑物少、可靠性較高,在低瓦斯礦井應用廣泛。缺點是工作面配風量較小,上隅角區(qū)域風量較小,風流易形成渦流情況,瓦斯難以進入主風流,從而導致上隅角瓦斯容易積聚[4],對于瓦斯含量較高或產(chǎn)量較大的高瓦斯工作面必須結(jié)合相對應的瓦斯治理技術(shù),才能有效防治工作面瓦斯超限。

1.3 Y型通風方式

該系統(tǒng)風流為兩進一回,采煤工作面的兩條順槽進風,在其中一條順槽的采空區(qū)段進行留巷回風,留巷采用巷旁充填支護,如圖2所示。

Y型通風方式的優(yōu)點是改變了U型通風方式下上隅角區(qū)域風量小、循環(huán)風的存在的缺點,從根本上解決了上隅角瓦斯積聚難題，而且運煤、運設(shè)備、供電、供水等管線都在新風流中,在回風巷內(nèi)既無電纜、軌道,也無管路,基本上成為專用回風巷,不僅提高了工作面的安全性,也大大改善了工作面的作業(yè)環(huán)境[5-6]。

圖2 Y型通風系統(tǒng)示意圖Fig.2 Y-shaped ventilation

Y型通風方式的缺點是該系統(tǒng)回風巷的某些局部地點可能存在瓦斯積聚問題,需采用瓦斯抽采方法來處理,并加強瓦斯監(jiān)測監(jiān)控;同時,這種通風系統(tǒng)需要在采空區(qū)中維護一條巷道,作為回風巷使用,工作量較大,施工、維護較為困難;對有自燃傾向煤層,易造成煤層自燃;留巷維護效果不好會導致斷面過小,通風阻力增大,工作面供風量減少；Y型通風方式還需要掘進邊界集中回風巷,掘進工程量大,加劇了礦井采掘接替緊張。

1.4 偏Y型通風系統(tǒng)

偏Y型通風與Y型通風原理一致,但回風利用相鄰工作面的回采巷道及聯(lián)絡巷,不需要掘進邊界集中回風巷,節(jié)約了掘進工作量及工期成本,并且分段式的沿空留巷使用時間較短,巷道斷面易于維護,可以采用成本較低的支護方式。偏Y型通風使用前提是相鄰的工作面的回采巷道已經(jīng)掘進到位,此外,還需要每隔一定距離施工一個聯(lián)絡巷,掘進和后期管理較為復雜。

偏Y型通風通過改變工作面通風線路及采空區(qū)瓦斯運移線路,消除了工作面上隅角瓦斯超限隱患,對于解決上隅角瓦斯積聚是一種經(jīng)濟、可靠的方式。

進入工作面的風流一部分沿工作面流動,另一部分進入采空區(qū)沿流線方向流動,最后經(jīng)沿空留巷排出。采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植紴?沿走向靠近采空內(nèi)部瓦斯?jié)舛容^高,沿傾斜靠近沿空留巷瓦斯?jié)舛容^高。

因此,無論是Y型通風方式還是偏Y型通風方式,都需要配合相應的瓦斯抽采措施來防治沿空留巷內(nèi)的高濃度瓦斯,并控制深部采空區(qū)瓦斯向工作面回風側(cè)涌出[7]。

2 通風系統(tǒng)的選擇與優(yōu)化

目前,霍爾辛赫井下單個回采工作面供風量為3 200 m3/min～3 300 m3/min左右,正在回采的工作面實測瓦斯涌出情況為15 m3/min～25 m3/min。目前井下接替工作面為3603回采工作面,瓦斯含量8 m3/t ～8.7 m3/t,計劃工作面日產(chǎn)量9 000 t。

根據(jù)礦井已經(jīng)實踐的通風方式及瓦斯治理技術(shù),結(jié)合礦井工作面風量、瓦斯含量等基本條件,綜合分析以下通風方式以及相應的瓦斯治理技術(shù),最終確定最適合霍爾辛赫煤礦接替工作面通風方式和瓦斯治理方式。

2.1 通風方式及瓦斯治理技術(shù)的分析

2.1.1單U型通風+頂板水平走向長鉆孔

頂板水平走向長鉆孔的成孔層位對采空區(qū)瓦斯?jié)舛冉档偷挠绊戄^大。

1)當成孔層位位于裂隙帶下部時,隨著上覆巖層的垮落,其鉆孔也遭到破壞,所以對采空區(qū)淺部瓦斯影響較大,但對采空區(qū)深部影響較小。

2)當鉆孔成孔層位于裂隙帶與下沉帶之間時,對采空區(qū)淺部瓦斯?jié)舛扔绊懽兓幻黠@,但對采空區(qū)深部影響較明顯,原因是鉆孔位于裂隙下沉帶內(nèi),受到裂隙帶垮落的影響,其所在巖層雖然出現(xiàn)大量裂隙發(fā)育,但鉆孔未遭到完全破壞,為鉆孔抽采采空區(qū)深部瓦斯創(chuàng)造了條件。

3)當鉆孔位置過高,超過裂隙帶時,雖然鉆孔未遭到破壞，但其所在巖層未形成較好的裂隙發(fā)育,不利于形成瓦斯?jié)B流通道,降低了瓦斯抽采效果。

對接替工作面采用單U型通風方式時,其風排瓦斯量需35 m3/min,且回風流瓦斯?jié)舛炔坏贸^0.8%,考慮瓦斯涌出不均衡系數(shù),經(jīng)計算工作面需要配風量為4 400 m3/min ～4 800 m3/min，而現(xiàn)有條件下工作面配風量約為3 200 m3/min ～3 500 m3/min,因此,目前工作面配風量達不到回采的要求。

3603采空區(qū)瓦斯抽采量需要達到12 m3/min左右。根據(jù)以前3103綜放工作面已經(jīng)施工的普通頂板裂隙帶鉆孔的抽采效果來看,采空區(qū)瓦斯抽采量為7 m3/min ～8 m3/min,通過高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯難度較大。

因此,在目前的巷道斷面條件下采用單U型通風+頂板走向長鉆孔不能滿足接替工作面的通風及瓦斯治理要求。

2.1.2單U型通風+高抽巷

高抽巷是回采煤層頂板內(nèi)的高位瓦斯抽采巷道的簡稱。其工作原理是在將要實施回采工作煤層的上覆巖層內(nèi)部距離回采煤層一定距離的位置處布置一條巖巷,一般布置在上覆巖層的裂隙帶內(nèi),在回采過程中由于采動影響上覆巖層垮落,在垮落帶上方的裂隙帶使頂板上的高位巖巷與采空區(qū)聯(lián)通,采空區(qū)的瓦斯在自身浮力的作用下向上流動,積聚在裂隙帶附近。在外界施加抽采負壓的情況下,采空區(qū)瓦斯通過預先鋪設(shè)的抽采管被抽出采空區(qū)[8]。高抽巷的示意圖如圖3所示。

圖3 高抽巷抽采瓦斯示意圖Fig.3 Gas drainage in high level drainage roadway

高抽巷抽放效果好,抽放量大,隨著回采強度的加大,裂隙形成越好,抽放效果越明顯,正?；夭蛇^程中抽出的瓦斯?jié)舛确€(wěn)定。目前在潞安礦區(qū)開展的試驗取得了預期效果。

潞安礦區(qū)某礦井下工作面采用單U型通風+高抽巷治理工作面瓦斯,工作面煤層原始瓦斯含量為8 m3/t ～9 m3/t,抽采負壓5 kPa ～7 kPa,抽采濃度在3%左右,瓦斯流量達到10 m3/min ～12 m3/min,工作面配風3 000 m3/min～4 000 m3/min,在日產(chǎn)量8 000 t～10 000 t的條件下,上隅角、回風巷瓦斯?jié)舛葹?.6%。

綜合上述分析,單U型通風+高抽巷方式基本滿足接替工作面的要求,技術(shù)上可行。但是高抽巷掘進工期長、成本高。初期頂板裂隙帶不發(fā)育時,抽采效果較差,需要輔助采空區(qū)抽采鉆孔等抽采方式。

根據(jù)霍爾辛赫井下實際情況計算高抽巷的經(jīng)濟投入,高抽巷巷道斷面6 m2～7 m2,掘進成本7 000元/m,3603工作面長度1 607 m,共計1 200萬元左右。

2.1.3偏Y型通風+插管抽采+頂板高位鉆孔

為考察偏Y型通風方式是否能滿足工作面供風需求,在3601綜放工作面進行偏Y型通風試驗,3601工作面回采區(qū)域殘余瓦斯含量大約5.33 m3/t～7.05 m3/t，平均瓦斯含量6.19 m3/t,日產(chǎn)量7 000 t。

3601工作面采用偏Y型通風方式后,前后調(diào)風兩次,試驗結(jié)果為:

1)初期配風3 050 m3/min,回風流最大瓦斯?jié)舛?.64%,回風流平均瓦斯?jié)舛?.41%,工作面最大瓦斯?jié)舛?.78%,工作面平均瓦斯?jié)舛?.24%。

2)后期配風量調(diào)整為2 200 m3/min,回風流最大瓦斯?jié)舛?.79%,回風流平均瓦斯?jié)舛?.51%,工作面最大瓦斯?jié)舛?.79%,工作面平均瓦斯?jié)舛?.25%。

可以看出,在配風量較低的情況下,工作面及回風流瓦斯?jié)舛染兴黾?但并未造成瓦斯超限。

根據(jù)沿空留巷采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律可知,在距工作面較近的采空區(qū)內(nèi),由于風流流動方向是從進風側(cè)流向回風側(cè),而在偏Y型通風方式下,由于兩條進風巷的風壓不同,使得上隅角和回風巷的瓦斯?jié)舛容^低,但有瓦斯?jié)舛容^高的區(qū)域向采空區(qū)深部運移的趨勢。

根據(jù)綜放面采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律可知,在采空區(qū)內(nèi)回風平巷側(cè)100 m～120 m處存在高濃度瓦斯富集區(qū)域,高濃度瓦斯會隨著采空區(qū)的漏風風流運移到工作面及沿空留巷中。因此考慮采用插管+頂板高位鉆孔的方式抽采采空區(qū)高濃度瓦斯，從本質(zhì)上治理涌向工作面及沿空留巷的采空區(qū)高濃度瓦斯。

根據(jù)礦井試驗的應用情況可知,采空區(qū)插管抽采量為3 m3/min左右,頂板高位鉆孔的抽采量為10 m3/min。

因此采用偏Y型通風+插管抽采+頂板高位鉆孔在技術(shù)上是可行的。

2.2 通風方式及瓦斯治理技術(shù)的分析

通過前面的技術(shù)可行性分析,選擇技術(shù)可行的通風方式及相對應的瓦斯治理技術(shù)再進行經(jīng)濟對比,即單U型通風+高抽巷與偏Y型通風+插管抽采+頂板高位鉆孔兩種方法對比，結(jié)合經(jīng)濟投入和可行性的優(yōu)缺點綜合分析。

3603和3605工作面采用偏Y型通風+插管抽采+頂板高佳鉆孔是接替工作面較為合理的通風及瓦斯治理方式,礦井可根據(jù)采掘部署合理選擇。

3 結(jié)論

1)從巷道布置、風流分配、通風系統(tǒng)管理以及風排瓦斯等方面,對比分析了各通風方式的優(yōu)缺點及適應性。適合霍爾辛赫煤礦的是單U通風、Y型通風、偏Y型通風方式，并提出必須結(jié)合相應的瓦斯抽采措施,才能有效解決工作面及采空區(qū)的瓦斯涌出。

2)根據(jù)各通風方式及相應的瓦斯抽采措施的效果和成本分析,得到最適合霍爾辛赫煤礦高瓦斯工作面的是“偏Y型通風方式+插管抽采+頂板高位鉆孔”的方式。

3)建議在采用偏Y型通風方式時,要做好沿空留巷斷面的維護工作,并加大瓦斯抽采力度,降低煤層殘余瓦斯含量和采空區(qū)瓦斯涌出量,最終實現(xiàn)霍爾辛赫高瓦斯工作面的安全高效開采。