成莊礦綜放工作面通風(fēng)方式改造及采空區(qū)瓦斯治理實踐

趙學(xué)良，朱鵬飛，羅華貴，王 寧，王潤超

(1.山西晉煤集團技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006； 2.晉煤集團成莊礦，山西 晉城 048026)

成莊礦回采工作面單日產(chǎn)量在1萬t以上，為保證工作面回采期間上隅角、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛炔怀?，采用兩進兩回、兩進三回偏Y型巷道布置方式來滿足礦井生產(chǎn)及瓦斯治理要求。為解決采空區(qū)通風(fēng)問題，需封閉工作面后部的通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，利用工作面前部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷聯(lián)通回風(fēng)側(cè)和進風(fēng)側(cè)，但是出現(xiàn)了上隅角瓦斯?jié)舛瘸薜男聠栴}。針對上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}，眾多學(xué)者在采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律、頂板“三帶”、O型圈理論的基礎(chǔ)上[1-5]，針對各自研究工作面的特點，開展了以高位定向長鉆孔[6]、走向高位鉆孔[7]、采空區(qū)埋管[8-10]、高抽巷[11-13]為主要抽采手段的上隅角瓦斯治理技術(shù)研究，取得了良好的治理效果。筆者以成莊礦4312綜放工作面為研究對象，通過強化采空區(qū)瓦斯抽采，解決上隅角瓦斯?jié)舛瘸迒栴}。

1 工作面巷道及通風(fēng)方式

4312綜放工作面位于成莊礦四盤區(qū)，煤層原始瓦斯含量最大為16 m3/t，經(jīng)過前期地面井、井下區(qū)域遞進式千米鉆孔預(yù)抽，至工作面回采時煤層瓦斯含量已經(jīng)達標(biāo)。工作面巷道布置方式如圖1～2 所示。

圖1 偏Y型通風(fēng)方式示意圖

圖2 多巷進風(fēng)U型通風(fēng)方式示意圖

43121巷為主要進風(fēng)巷、43123巷為輔助進風(fēng)巷， 43124巷為主要回風(fēng)巷、43122巷為輔助回風(fēng)巷。采用偏Y型通風(fēng)方式時，工作面上隅角風(fēng)流分別通過工作面前部和后部兩個通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷流向回風(fēng)側(cè)，較好地解決了上隅角瓦斯積聚問題。為避免采空區(qū)通風(fēng)，需將工作面后部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷及時封閉，將工作面通風(fēng)方式優(yōu)化成多巷U型通風(fēng)方式。

2 工作面抽采系統(tǒng)布置

在工作面后部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷封閉之前，采空區(qū)瓦斯通過高位鉆孔抽采+風(fēng)排的方式進行采空區(qū)瓦斯治理。在工作面后部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷封閉之后，進風(fēng)側(cè)風(fēng)流全部通過工作面前部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷流向回風(fēng)側(cè)，導(dǎo)致上隅角區(qū)域氣體流場負壓點前移，采空區(qū)瓦斯涌出，上隅角瓦斯積聚，瓦斯?jié)舛葮O易超限。在此情況下，新建井下移動泵站形成上隅角抽采系統(tǒng)，連接工作面后部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷密閉墻埋管，強化采空區(qū)瓦斯抽采，阻止采空區(qū)瓦斯涌向上隅角。工作面抽采系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 4312工作面抽采系統(tǒng)示意圖

2.1 高位鉆孔布置方式

將高位鉆孔鉆場布置在回風(fēng)側(cè)通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)，使用千米定向鉆機向采空區(qū)頂板斷裂帶層位施工定向長鉆孔，終孔層位縱向控制在頂板以上40～50 m內(nèi)，橫向控制在距輔助進風(fēng)巷30～50 m內(nèi)，鉆孔孔徑為195 mm，每個鉆場布置3～5個高位定向鉆孔，接入 ?350 mm抽采管路進入地面泵站，抽采斷裂帶積聚瓦斯，促使上隅角瓦斯向斷裂帶運移。

2.2 上隅角抽采系統(tǒng)建立

上隅角抽采系統(tǒng)主要作用原理：建立井下移動泵站，通過管路連接通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷密閉墻埋管，在回采工作面后部采空區(qū)形成一個負壓區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)瓦斯由抽采管路抽走，阻止采空區(qū)瓦斯涌向上隅角和回采區(qū)域，避免上隅角局部瓦斯積聚。

4312工作面相鄰的已經(jīng)回采工作面瓦斯涌出量一般約為48 m3/min，其中風(fēng)排瓦斯量為32 m3/min。工作面后部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷封閉之后，上隅角瓦斯涌出量一般占到回采工作面風(fēng)排瓦斯量的30%左右，因此上隅角瓦斯涌出量約為9.60 m3/min，考慮到回采工作面瓦斯涌出的不均衡性，按照1.2倍的富裕系數(shù)進行計算，最終確定回采工作面上隅角采空區(qū)瓦斯涌出量為11.52 m3/min，按照抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分數(shù)，下同)2%～4%確定風(fēng)流混合量為288 m3/min。最困難時期抽采瓦斯管路負壓段(埋管到井下臨時抽采瓦斯泵站)管路長約 2 600 m，正壓段(井下臨時抽采瓦斯泵站到排放位置)長約300 m。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)抽采設(shè)計規(guī)范，得到抽采管路內(nèi)徑為605 mm，抽采泵的吸氣壓力為72 kPa，裝機能力需達到402.14 m3/min。最終選用ZJW500煤礦用濕式羅茨真空泵為主體設(shè)備建設(shè)上隅角抽采系統(tǒng)，連接聯(lián)絡(luò)巷密閉墻埋管。密閉墻埋管設(shè)施如圖4所示。

1—抽采瓦斯管路；2—注漿管；3—砂(泥漿充填物)； 4—觀測管；5—密閉墻；6—放水管及放水池。圖4 密閉墻埋管抽采瓦斯示意圖

3 應(yīng)用效果分析

工作面采空區(qū)瓦斯治理技術(shù)優(yōu)化為高位鉆孔+聯(lián)絡(luò)巷密閉墻埋管(連接上隅角抽采系統(tǒng))+風(fēng)排模式。在井下移動泵站建成前，先安裝一趟接入地面泵站的管路接抽密閉墻埋管，形成上隅角抽采系統(tǒng)；在井下移動泵站建成后，抽采能力增強，將后續(xù)的密閉墻埋管接入移動泵站形成上隅角抽采系統(tǒng)。根據(jù)工作面實際推進過程中抽采系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵節(jié)點，分4個階段進行分析：

1)回采工作面采用偏Y型通風(fēng)方式；

2)及時封閉回采工作面后部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷，此階段密閉墻埋管接地面泵站形成上隅角抽采系統(tǒng)，抽采瓦斯混合量較小；

3)井下移動泵站建成，與地面泵站抽采管路一起構(gòu)成上隅角抽采系統(tǒng)，增強了上隅角抽采系統(tǒng)能力；

4)以井下移動泵站為主體形成了穩(wěn)定的上隅角抽采系統(tǒng)。

3.1 高位鉆孔抽采效果分析

高位鉆孔主要抽采頂板斷裂帶積聚瓦斯，瓦斯?jié)舛雀?，以接抽高位鉆孔的?350 mm管路抽采的瓦斯混合量、瓦斯?jié)舛?、瓦斯純量?shù)據(jù)變化規(guī)律進行高位鉆孔抽采效果分析，如圖5～7所示。

圖5 工作面推進過程中高位鉆孔管路抽采瓦斯混合量、 瓦斯?jié)舛茸兓€

圖6 工作面推進過程中高位鉆孔管路抽采瓦斯混合量、 瓦斯純量變化曲線

圖7 抽采瓦斯?jié)舛扰c瓦斯混合量之間的關(guān)系曲線

抽采瓦斯混合量代表著抽采能力，其值在各個階段變化相對穩(wěn)定。由圖5～7可知，高位鉆孔抽采瓦斯?jié)舛扰c瓦斯純量隨抽采瓦斯混合量的增大而增大，高位鉆孔管路系統(tǒng)抽采瓦斯混合量均值為19.07～75.16 m3/min，瓦斯?jié)舛葹?.20%～35.80%，平均為23.80%；抽采瓦斯純量為2.74～27.82 m3/min，平均為12.50 m3/min。抽采瓦斯?jié)舛扰c瓦斯混合量之間是對數(shù)函數(shù)關(guān)系，抽采瓦斯純量與瓦斯混合量之間是線性關(guān)系。

3.2 聯(lián)絡(luò)巷密閉墻埋管抽采效果分析

密閉墻埋管在通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷上部，處于采空區(qū)垮落帶，其抽采數(shù)據(jù)變化如圖8～9所示。

圖8 密閉墻埋管抽采瓦斯?jié)舛?、瓦斯混合量變化曲線

圖9 密閉墻埋管抽采瓦斯混合量、瓦斯純量變化曲線

密閉墻埋管抽采瓦斯混合量大、瓦斯?jié)舛鹊?，這是由其所在位置和上隅角抽采系統(tǒng)的能力決定的。由圖8～9可知：階段二中，密閉墻埋管抽采瓦合混合量為55～250 m3/min，是上隅角抽采系統(tǒng)的初期形成階段，瓦斯?jié)舛葹?.26%左右，抽采瓦斯純量為14.57 m3/min；階段三中，抽采瓦斯混合量為460 m3/min左右，瓦斯?jié)舛葹?.80%左右，抽采瓦斯純量為14.25 m3/min；階段四中，抽采瓦斯混合量為420 m3/min左右，瓦斯?jié)舛葟?.80%逐漸下降至2.07%左右，瓦斯純量從11.50 m3/min下降至8.89 m3/min，這一階段瓦斯?jié)舛扰c瓦斯純量緩慢下降的原因一是上隅角抽采系統(tǒng)穩(wěn)定運行，采空區(qū)瓦斯涌出與排放逐漸平衡，二是工作面回采處于末期，采空區(qū)瓦斯涌出總量在減小。從3個階段整體分析，密閉墻埋管的抽采瓦斯?jié)舛入S抽采瓦斯混合量的增大而減小。

3.3 區(qū)域配風(fēng)及回風(fēng)瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律分析

工作面回采過程中回采區(qū)域的配風(fēng)量與回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛茸兓鐖D10所示。

圖10 區(qū)域配風(fēng)量、回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖10可知，階段一區(qū)域配風(fēng)量為6 470 m3/min左右，43122回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.20%～0.42%，平均為0.27%；43124回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.21%～0.65%，平均為0.43%；工作面正常回采時，產(chǎn)量在10 000 t/d，“階段一①”屬于工作面初采，產(chǎn)量由 900 t/d 逐漸上升到6 000 t/d，“階段一②”工作面產(chǎn)量為 8 500 t/d，導(dǎo)致了這兩個小區(qū)間回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛容^低。在階段二至階段四配風(fēng)量逐漸由5 600 m3/min下降至4 900 m3/min左右，43122回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.12%左右；43124回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葹?.42%左右。在工作面回采過程中，工作面的配風(fēng)量和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛韧綔p小。

3.4 風(fēng)排瓦斯與抽采瓦斯之間的規(guī)律分析

4312工作面回采過程中各階段瓦斯量及上隅角瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計如表1所示。

表1 4312工作面回采過程中各階段瓦斯量及上隅角瓦斯?jié)舛冉y(tǒng)計

由表1可知，在階段四，工作面后部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷及時封閉，工作面抽采系統(tǒng)、通風(fēng)方式優(yōu)化完成，抽采率為57.65%，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.60%。

3.5 上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律分析

上隅角抽采系統(tǒng)通過通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷密閉墻埋管對采空區(qū)瓦斯進行抽采，使得工作面上隅角瓦斯?jié)舛炔怀?。工作面從后部封閉的通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷推進至前部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷過程中，上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律如圖11 所示。

圖11 兩聯(lián)絡(luò)巷間上隅角瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖11可知，在工作面后部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷封閉之后，隨著工作面向前推進，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢。這是因為上隅角是密閉墻抽采負壓與巷道配風(fēng)負壓相互作用的區(qū)域，在工作面推進至兩聯(lián)絡(luò)巷中部之前，密閉墻埋管起主要作用，隨著工作面與后部密閉墻埋管距離的增大，上隅角瓦斯?jié)舛瘸试龃筅厔?；?dāng)工作面繼續(xù)向前推進，其距離前部通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷越來越近，配風(fēng)負壓逐漸起到主要作用，導(dǎo)致上隅角瓦斯?jié)舛瘸蕼p小趨勢；兩個通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷中部(即上隅角濃度穩(wěn)定區(qū)域)是配風(fēng)負壓和密閉墻埋管抽采負壓共同作用的結(jié)果。對上隅角瓦斯?jié)舛瘸试龃筅厔莸牟糠诌M行擬合，得出在現(xiàn)有抽采能力作用下，通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷間距為80 m時，上隅角瓦斯?jié)舛炔怀?.00%。

4 結(jié)語

1)在原有的高位鉆孔抽采系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出建立上隅角抽采系統(tǒng)連接工作面后部的通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷密閉墻埋管，強化對采空區(qū)垮落帶瓦斯進行抽采，避免上隅角瓦斯超限，得到工作面各項瓦斯治理技術(shù)措施的變化規(guī)律，并使工作面的區(qū)域配風(fēng)量減小了 1 570 m3/min。

2)在工作面回采過程中，根據(jù)工作面上隅角抽采系統(tǒng)能力，分成4個階段對高位鉆孔和密閉墻埋管抽采數(shù)據(jù)進行了分析，其中高位鉆孔抽采瓦斯純量和瓦斯?jié)舛入S抽采瓦斯混合量的增大而增大；密閉墻埋管抽采瓦斯?jié)舛入S抽采瓦斯混合量的增大而減小，抽采瓦斯純量變化不大。

3)在工作面從后部封閉的通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷向前推進的過程中，上隅角瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢，工作面通風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷間距可以從現(xiàn)有的60 m擴大到80 m，保證上隅瓦斯?jié)舛炔怀^1.00%。