綜放工作面瓦斯治理技術探討

樊 華，王晨陽

(1.霍州煤電集團 技術研究院，山西 霍州 031412；2.中煤科工集團 重慶研究院有限公司, 重慶 400037)

騰暉煤業(yè)是典型的高瓦斯礦井，工作面采用走向長壁放頂煤采煤法，生產(chǎn)過程中瓦斯涌出量較高，易出現(xiàn)工作面瓦斯超限及上隅角瓦斯積聚，給礦井生產(chǎn)和礦工安全帶來很大威脅。在以往的生產(chǎn)過程中，騰暉煤業(yè)通常采用“U+L”型通風配合多種瓦斯抽放技術來解決瓦斯問題，這種通風方式及瓦斯抽采技術在管理上比較復雜，而且專排瓦斯巷存在較大的安全隱患，本文結(jié)合“U”型通風方式和瓦斯抽采技術，探討了綜放工作面瓦斯治理技術。

1 工作面基本情況

騰暉煤業(yè)有限公司位于山西省鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)店溝村西， 礦井瓦斯等級為高瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量21.62 m3/min。自燃傾向性為自燃，煤塵具有爆炸性。

該煤業(yè)公司2-202工作面布置在2-201工作面西側(cè)，煤層平均厚度5.4 m，平均傾角2°，設計順槽長度640 m，切巷長度145 m，采用走向長壁放頂煤采煤法，采煤高度為2.5 m，放頂煤高度為2.9 m，平均采放比為1∶1.16。根據(jù)實驗測定結(jié)果，2-202工作面瓦斯壓力為2.69 MPa(預測值)，瓦斯含量為11.607 m3/t，煤層破壞類型Ⅱ類，瓦斯放散初速度△p為11.9，堅固性系數(shù)f為0.47。

2 工作面抽放系統(tǒng)

根據(jù)瓦斯涌出量預測結(jié)果，2-202工作面絕對瓦斯涌出量為14.63 m3/min，本煤層絕對瓦斯涌出量為13.29 m3/min，占工作面涌出量的91％，鄰近層絕對瓦斯涌出量為1.34 m3/min，占工作面涌出量的9％。因此,分別采用本煤層鉆孔、頂板高位鉆孔、轉(zhuǎn)抽巷輔助鉆孔、采空區(qū)埋管等方法來降低工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

2.1 本煤層鉆孔

2-202工作面本煤層預抽孔布置在回風順槽，采用上下交叉孔施工，共284個，上排孔開孔高度為1.8 m，共142個，為斜向孔；下排孔高度為1.5 m，共142個，為平行孔。鉆孔距2-202工作面停采線10 m處開始依次向切巷方向施工，孔間距為4.2 m。具體參數(shù)見表1，工作面鉆孔施工示意圖見圖1。

表1 本煤層鉆孔布置參數(shù)表

圖1 工作面鉆孔施工示意圖

采用這種抽采方法可加大單孔抽采的覆蓋面積，增加回采工作面煤體的裂隙，提高抽采量，節(jié)約抽采時間，加強本煤層鉆孔的抽采效果。

2.2 采空區(qū)鉆孔

采空區(qū)鉆孔又分為高位裂隙鉆孔、頂板高位鉆孔、采空區(qū)埋管。根據(jù)采動裂隙“O”型圈理論，確定采空區(qū)鉆孔的有效抽采高度為2-202工作面頂板上方16～56 m。

1) 高位裂隙鉆孔設計。

高位裂隙鉆孔布置在2-2023專抽巷靠近工作面的煤幫，終孔高度控制在離煤層頂板30～40 m，主要是抽放2-202回采面上方高位裂隙帶瓦斯，每組施工4個鉆孔，鉆孔開孔高度為2 m，直徑113 mm，孔深90 m，每組鉆孔之間的距離為6 m。高位裂隙鉆孔示意圖見圖2。

a) 剖面示意圖

b) 平面布置示意圖

2) 高位鉆孔設計。

頂板高位鉆孔的主要作用是以工作面回采采動壓力形成的頂板裂隙作為通道，抽放工作面煤壁及上隅角涌出的瓦斯。具體方法是在專抽巷向煤層頂板施工上山巷道爬至頂板上方15 m處施工高位鉆場，在鉆場內(nèi)向工作面推進方向施工頂板高位鉆孔。

2-202工作面共設計3個高位鉆場，在每個鉆場內(nèi)向工作面推進方向施工1組低位裂隙鉆孔和2組頂板高位鉆孔。低位裂隙鉆孔終孔離煤層頂板高度控制在15 m，高位鉆孔終孔離煤層頂板高度控制在30 m和35 m處。高位鉆孔設計示意圖見圖3。

a) 平面示意圖

b) 剖面示意圖

3) 埋管抽采設計。

在2-2023專抽巷內(nèi)布置1趟d426 mm無縫鋼管，在每個橫貫口處留設d426 mm變d315 mm的三通，并加設閥門，在橫貫內(nèi)穿過密閉墻埋設1趟d315 mm抽放管，在2-2022回風順槽側(cè)閉墻前搭設木垛加強巷口支護。埋管示意圖見圖4。

圖4 埋管示意圖

2.3 輔助鉆孔

輔助鉆孔布置在2023專抽巷靠近工作面的煤幫，每組2個鉆孔，鉆孔間距1 m，每6 m施工1組鉆孔，方位角均為90°，傾角均為+14°，落孔位置為2#煤層頂板處，孔深均為30 m，鉆孔直徑為113 mm，開孔高度為1.5 m。輔助鉆孔示意圖見圖5。

a) 剖面示意圖

b) 平面布置示意圖

3 工作面通風方式設計

3.1 通風系統(tǒng)

結(jié)合2-202工作面瓦斯涌出量實際情況和瓦斯抽采情況，確定2-202工作面采用U型通風系統(tǒng)，設計2-2021巷為進風巷道， 2-2022巷為回風巷道，形成完整的“U”型通風系統(tǒng)。2-2023巷作為獨立專抽巷，與2-202工作面在通風系統(tǒng)上無直接關系，負責高低位裂隙抽放，采用局扇供風的方式單獨供風。2-202工作面通風系統(tǒng)示意圖見圖6。

圖6 2-202工作面通風系統(tǒng)示意圖

3.2 風量計算

根據(jù)《山西焦煤集團礦井配風、風量計算標準》有關規(guī)定，回采工作面實際需風量，應按氣象條件、瓦斯涌出量、二氧化碳涌出量、人員等規(guī)定分別進行計算，然后取其中最大值。

1) 按氣象條件計算。

Q采=60×70％×V采S采K采高K采面長=738 m3/min

式中：

Q采—采煤工作面需要風量，m3/min；

V采—采煤工作面的風速，m/s，按采煤工作面進風流的速度取1；

S采—采煤工作面的平均有效斷面積，m2，取13.31；

K采高—回采工作面采高調(diào)整系數(shù)，放頂煤工作面取1.2；

K采面長—回采工作面長度調(diào)整系數(shù)，取1.1；

70％—有效通風斷面系數(shù)；

60—單位換算生產(chǎn)的系數(shù)。

2) 按照瓦斯涌出量計算。

Q采=200·qCH4·KCH4=1 597 m3/min

式中：

Q采—回采工作面實際需要風量，m3/min；

200—按回采工作面回風流中瓦斯?jié)舛炔怀^0.5％換算系數(shù)；

qCH4—回采工作面回風巷風流中瓦斯平均絕對涌出量，m3/min；

KCH4—回采工作面瓦斯涌出不均衡通風系數(shù)，按上限配風取2.2。

3) 按照二氧化碳涌出量計算。

Q采= 100×qCO2×KCO2=90 m3/min

式中：

Q采—回采工作面實際需要風量，m3/min；

qCO2—采煤工作面回風巷風流中最大絕對二氧化碳涌出量，m3/min；

KCO2—采煤工作面二氧化碳涌出不均勻的備用風量系數(shù)，取1.5；

100 —按采煤工作面回風流中二氧化碳的濃度不超過1％換算系數(shù)。

4) 按工作面人數(shù)計算。

Q采≥4N=204 m3/min

式中：

N—采煤工作面同時工作的最多人數(shù)，人，取51；

4—每人需風量，m3/min。

5) 按風速進行驗算。

a) 驗算工作面最小風量:

Q采≥60×0.25Smax=147 m3/min

Smax=Lmax×h采高×70％=9.84 m2

b) 驗算工作面最大風量:

Q采≤60×4Smin=2 109.6 m3/min

S最小=Lmin×h采高×70％=8.79 m2

c) 綜合機械化采煤工作面在采取煤層注水和采煤機噴霧措施后，驗算最大風量:

Q采≤60×5Smin=2 637 m3/min

式中：

Smax—采煤工作面最大控頂有效面積，m2;

Lmax—采煤工作面最大控頂距，m;

h采高—采煤工作面實際采高，m;

Smin—采煤工作面最小控頂有效斷面積，m2;

Lmin— 采煤工作面最小控頂距，m;

0.25 —采煤工作面允許的最小風速，m/s;

70％—有效通風斷面系數(shù)；

4.0—采煤工作面允許的最大風速，m/s;

5.0—采煤工作面允許的最大風速,m/s。

6) 風量分配。

a) 根據(jù)工作面采用一進一回的“U”型通風系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)配風量見表2。

表2 工作面回采期間配風情況表

由表2可知,整個工作面配風1 595 m3/min，其中,2-2021巷進風1 595 m3/min, 2-2022巷回風1 595 m3/min，2條巷道風速均低于巷道最大允許風速4 m/s，大于巷道最小允許風速0.25 m/s，符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定。

b) 2-2023巷作為專抽巷，將采用局部通風方式，F(xiàn)BDYNO6.3 (2×45 kW)的局扇配備1 000 mm風筒確保巷道全長通風，風機采用單級運行，風筒出口風量可達500 m3/min以上，專抽巷風速確保在0.35 m/s，符合規(guī)定。

c) 2-2021聯(lián)巷作為庫房管理，按照硐室配風150 m3/min給予配備。

4 效果檢驗

1) 根據(jù)瓦斯抽采設計方案，2-202回采工作面抽采時間14個月，抽采瓦斯量為254萬m3。經(jīng)取樣分析，2-202工作面瓦斯含量經(jīng)測定最高值5.14 m3/t，瓦斯可解析量最大為4.1 m3/t,殘存量為1.04 m3/t,低于規(guī)定要求5.2 m3/t，已達到抽采達標預期效果。

2) 2-202工作面經(jīng)生產(chǎn)實際測量，割煤期間回風流瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.42％，上隅角瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.45％左右，專排巷瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.2％，取得了較好效果，保證了安全高效生產(chǎn)，對相似條件下的礦井生產(chǎn)有一定的借鑒意義。

3) 2-202工作面本煤層瓦斯抽采效果達標后，綜合實際情況，采用了“U”型通風方式，保證了礦井瓦斯治理達標，相比以往的“U+L”型通風方式，簡化了通風系統(tǒng)，方便了瓦斯管理，降低了安全隱患，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

4) 在高位鉆場抽放瓦斯的過程中發(fā)現(xiàn)個別鉆孔的瓦斯?jié)舛葞缀鯙榱?。分析原因可能是由于鉆孔終端位置沒有準確地打到裂隙帶中，導致部分鉆孔瓦斯抽放效果差。因此，在今后的工作中要慎重考慮采空區(qū)冒落帶及裂隙帶的高度，設計過程中準確掌握相應的資料，保證設計到位；同時要嚴格施工過程，按照設計施工，保證抽放鉆孔的高度、位置合適。

參 考 文 獻

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