基于U型通風系統的瓦斯治理試驗研究

趙少波

(晉城煤業集團寺河礦)

基于U型通風系統的瓦斯治理試驗研究

趙少波

(晉城煤業集團寺河礦)

為完善綜采工作面通風瓦斯治理技術方案，在寺河礦5302工作面現有通風方式基礎上進行U型通風系統試驗，提出改造優化方案。通過采取高位鉆孔、中位鉆孔、穿透鉆孔及閉墻預埋φ400 mm瓦斯管等措施對采空區高濃度瓦斯進行攔截抽放，監測、分析綜采面風流流場分布、53024巷巷口瓦斯濃度、風排瓦斯量及采空區瓦斯抽采量變化情況。結果表明，新型U型通風系統可使風排瓦斯量下降31%，采空區抽采量提高150%，53024巷巷口瓦斯濃度下降23%，并節約了大量成本。試驗結果論證了新型U型通風系統的優越性，可為類似煤礦瓦斯治理提供借鑒。

綜采工作面 瓦斯治理 U型通風系統 瓦斯流場 瓦斯濃度

近年來，隨著礦井集中化生產技術的發展，礦井生產效率大幅度提高。然而礦井大采高綜采工作面多采用“三進兩回”、“三進一回”、“四進兩回”、“兩進一回”等偏Y型多巷通風系統，此類通風系統工作面風流一部分經采空區流入尾巷橫川，將大量采空區瓦斯帶出，使工作面區域風排瓦斯涌出量顯著增加，由于上隅角附近風流容易出現渦旋，工作面風流和采空區風流的傳質過程較弱，造成工作面上隅角瓦斯濃度超限[1-3]，配風量增大，存在采空區通風隱患。與此同時，尾巷橫川內瓦斯濃度普遍較高，且不易控制。據統計，采空區瓦斯涌出量占工作面瓦斯總量50%～60%，是工作面瓦斯的主要來源之一[4]，嚴重威脅著綜采工作面的生產安全。采空區流場是系統研究采空區內部遺煤自燃、瓦斯涌出及其災害發生規律和現代通風安全理論的重要組成部分[5]，對礦井的安全生產有著重要意義。

據前人研究結果, 治理采空區上隅角瓦斯可以從2個方面著手，即增加漏風匯和減少采空區漏風[6]。迄今為止，國內外對綜采工作面U型通風上隅角瓦斯治理的具體方法主要有以下幾種：①綜采工作面上隅角設置導風障；②增大綜采工作面過風量；③設置采空區風障或采空區噴漿；④綜采工作面下隅角垛煤袋或設置風障；⑤安設專用抽出式風機；⑥安設移動瓦斯抽放泵站；⑦上隅角、下隅角放頂或充填，減少上隅角、下隅角面積；⑧保證工作面進風側過風斷面，減小采空區漏風；⑨綜采工作面上隅角安設風水引射器[7]。雖然方法眾多，但由于綜采工作面的生產條件千變萬化，極易出現風障掛扯、上隅角頂板大面積懸頂、通風斷面變小等情況，從而導致上隅角瓦斯超限斷電，甚至瓦斯爆炸等事故。本文針對寺河礦5302工作面進行了U型通風系統試驗，為工作面瓦斯治理提供新的途徑。

1 U型通風系統試驗過程

本次U型通風系統試驗分為3個階段：

第一階段在53022/23巷20#～21#橫川試驗。對53022/23巷20#～21#橫川煤柱施工5個中位鉆孔、9個穿透孔，在53022/23巷21#橫川閉墻上預埋2趟φ400 mm瓦斯管路，用φ193 mm鉆頭將53022/23巷16#橫川1#、2#、3#高位鉆孔擴大孔徑，分別試驗“2趟φ400 mm瓦斯管”、“穿透及中位鉆孔+高位鉆孔”、“穿透及中位鉆孔+高位鉆孔+2趟φ400 mm瓦斯管”的瓦斯治理效果。

第二階段在53022/23巷18#～20#橫川試驗。此階段試驗分2種情況：①對53022/23巷19#～20#橫川煤柱施工5個中位鉆孔、10個穿透孔，并對穿透孔及中位鉆孔進行擴孔及下套管；②在53022/23巷20#橫川閉墻上預埋2趟φ400 mm瓦斯管路。對2種情形分別試驗“取消上隅角打木垛”的瓦斯治理效果。

第三階段在53022/23巷15#～18#橫川試驗。此階段試驗分2種情況：①對53022/23巷18#～19#橫川煤柱施工5個中位鉆孔、10個穿透孔，并對穿透孔及中位鉆孔進行擴孔及下套管；②在53022/23巷18#橫川閉墻上預埋一趟φ400 mm瓦斯管路。對2種情形分別采用以下手段進行瓦斯治理效果的試驗：①長距離穿透及中位鉆孔+高位鉆孔+一趟φ400 mm瓦斯管；②封閉位置由原來的支架尾梁推過橫川里幫2 m改為與橫川外幫齊平；③減小工作面過風量，改變上隅角流場；④上隅角支架尾梁處掛風障形成封閉抽放空間；⑤閉墻φ400 mm瓦斯管預埋位置由原來的伸入閉墻以里2～3 m改為伸入閉墻以里25～30 m。

試驗前，大采高工作面存在2個通風橫川，試驗后，大采高工作面只存在一個通風橫川，試驗前后通風系統見圖1。

圖1 試驗前后5302工作面U型通風系統示意

2 試驗結果與分析

為降低瓦斯災害，保證安全生產，此次新型U型通風系統改造以降低上隅角、53024巷巷口等處瓦斯濃度為原則，經現場實踐，一階段“穿透及中位鉆孔+高位鉆孔+2趟φ400 mm瓦斯管”措施、二階段情形①的“取消上隅角打木垛”措施和三階段情況①結合效果最優。在最優組合前提下，分析新型U型通風系統改造效果。

2.1 5302工作面瓦斯流場分布

試驗前后5302工作面瓦斯流場分布見圖2。可以看出，試驗前，5302工作面采用“三進兩回”通風系統，主進風側一部分風流由下隅角進入，經采空區后流向尾巷，從而使上隅角處負壓點向采空區移動，解決上隅角瓦斯積聚問題。5302工作面試驗新型U型通風系統后，采空區流場與“三進兩回”通風系統基本保持一致，但是由于沒有尾巷作為出口，新型U型通風系統上隅角只能作為采空區風流出口，若不能有效控制上隅角以里采空區的過風量，則極易造成上隅角風流紊亂，從而出現上隅角瓦斯超限斷電事故。

圖2 5302工作面尾巷封閉前后瓦斯流場

2.2 風排瓦斯及抽放瓦斯量

53024巷口瓦斯濃度和5302工作面試驗前后風排瓦斯及抽放瓦斯量變化曲線見圖3。可以看出，10月4日中班5302工作面進行新型U型通風系統試驗后，53024巷巷口瓦斯濃度有小幅上升，上升至0.52%后，下降至0.4%左右，下降幅度達23%；5302工作面采空區抽放量由原來的12 m3/min左右增大至30 m3/min左右，采空區抽放量增加18 m3/min，抽放率提高150%；5302工作面風排瓦斯量由原來最大值50.75 m3/min減少至平均值35 m3/min，下降幅度達31%。由此可知，采用新型U型通風系統，能顯著減小風排瓦斯量。

3 效益分析

(1)采用新型U型通風系統，每個橫川可節約30～35個木垛，每個木垛的成本為0.7萬元左右，每年綜采工作面回采推進4 000 m，約60個橫川，合計可節約木垛費用1 500萬元。

圖3 5302工作面試驗前后風排及抽放瓦斯變化曲線

(2)采用新型U型通風系統，綜采工作面上隅角不再施工木垛，可簡化綜采工作面施工工藝，節省端頭支護工。寺河礦東、西井區共2個綜采工作面，每個綜采工作面每班節省2～3個端頭支護工，每天寺河礦可節省勞力12～18人，每年可節省勞務費320～480萬元。

(3)采用新型U型通風系統，取消尾巷通風橫川，密閉工的作業環境得到極大改善。試驗前，密閉工封閉尾巷橫川時需要在高濃度瓦斯區域作業，作業環境安全系數低，作業環境差；試驗后，密閉工封閉通風橫川，作業環境瓦斯濃度一般為0.45%左右，安全系數大大提高。

4 結 論

采用新型U型通風系統，大大提高了綜采工作面采空區瓦斯抽放量，采空區抽放量由原來的12 m3/min增加至30 m3/min；顯著減小風排瓦斯量，降幅可高達31%；綜采面巷口瓦斯濃度下降23%；同時，減少巷道施工工程量，簡化綜采工作面施工工藝，改善作業環境，節約成本，提高作業安全系數。本方法可在高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井直接應用，在全國類似條件礦井具有推廣應用前景。

[1] 王志亮,陳善文,上官昌培,等.孔莊礦7354工作面上隅角瓦斯治理模式研究[J].中國煤炭,2012,38(11):107-109.

[2] 程建圣.高瓦斯礦井近煤層群綜采工作面上隅角瓦斯治理[J].礦業安全與環保,2011,38(1):54-59.

[3] 米曉坤.采煤工作面上隅角瓦斯治理[J].煤炭技術,2009,28(6):28-30.

[4] 楊 明,高建良,馮普金.U型和Y型通風采空區瓦斯分布數值模擬[J].安全與環境學報,2012,12(5):227-230.

[5] 李宗翔.采空區場流安全理論及其研究的新進展[J].中國安全科學學報,2005,15(12):85-88.

[6] 林柏泉,周世寧,張仁貴.U型通風工作面采空區上隅角瓦斯治理技術[J].煤炭學報，1997,22(5):509．

[7] 徐英林,曹彥恒,張鐵紅,等.采煤工作面上隅角瓦斯治理方法與應用[J].中州煤炭,2005(6):58-59.

2016-10-21)

趙少波(1981—)，男，工程師，048205 山西省晉城市沁水縣嘉峰鎮。