U型通風工作面瓦斯治理方案優選

陳 滔 孟海龍 張 標

(1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南省焦作市，454010；2.山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司，山西省晉城市，048000)

★ 煤礦安全 ★

U型通風工作面瓦斯治理方案優選

陳 滔1孟海龍2張 標2

(1.河南理工大學安全科學與工程學院，河南省焦作市，454010；2.山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司，山西省晉城市，048000)

針對大陽煤礦工作面由U+I型通風方式改為U型通風方式，工作面風排瓦斯能力大大降低的問題，分析了工作面回采期間瓦斯涌出比例構成，針對本煤層和鄰近層(采空區)的瓦斯抽采措施提出了6個可行性方案，運用模糊數學方式選取了工作面瓦斯抽采的最優方案。

U型通風 U+I型通風 瓦斯抽采 模糊數學 方案優選

根據《煤礦安全規程》和《關于印發山西省煤礦瓦斯抽采全覆蓋工程實施方案的通知》的要求，大陽煤礦擬將工作面U+I型通風方式改為U型通風方式。通風方式改變后，工作面風排瓦斯能力降低，原來由尾巷排出的瓦斯將會涌向上隅角及回風流，極有可能造成上隅角和回風流瓦斯超限，因此需加大鄰近層瓦斯抽采，目前國內采用了穿層鉆孔、頂板高抽巷、高位鉆孔、地面鉆井等鄰近層瓦斯抽采技術，并在現場取得了顯著的效果。本文基于大陽煤礦實際情況，結合模糊數學分析法優選高效可靠的瓦斯治理方案，確保U型通風工作面瓦斯不超限，保障井下安全生產。

1 礦井及工作面概況

山西蘭花科技創業股份有限公司大陽煤礦分公司全井田南北長約6.52 km，可采煤層為3#、9#、15#煤層，現在3#煤層三、四采區進行采掘生產。3#煤層下距9#煤層52～ 68.5 m，平均62.5 m；煤層厚度為3.79～7.19 m，平均6.09 m；在井田中北部、中西部煤層局部相對較薄，向西北部、中東部至東部、南部煤層有逐漸增厚的趨勢；屬全區穩定可采煤層。煤層頂板大部分為泥巖、粉砂巖；底板大部分為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖。

礦井核定生產能力為1.8 Mt/a，屬高瓦斯礦井，開采工藝采用綜合機械化放頂煤開采，采放比為1.2∶1，一次采全高，全部垮落法管理頂板，通風方式為U+I型，機械化程度達到100%。掘進工作面綜合機械化水平達到90%以上，礦井煤壁及工作面落煤涌出的瓦斯主要依靠風排方法解決。

礦井現采的3303工作面采用U+I型通風方式，共布置軌道巷、回風巷及輔助回風巷(瓦斯巷)3條巷道，其中回風巷配風量平均值為1128 m3/min，輔助回風巷配風量平均值為1062 m3/min。工作面采空區瓦斯涌出及鄰近層瓦斯涌出主要依靠上隅角埋管抽采、高位鉆孔瓦斯抽采的方法解決。

2 工作面回采期間瓦斯涌出比例構成分析

工作面主要依靠通風(回風巷+瓦斯巷)、上隅角抽放及高位鉆孔抽放解決回采期間的瓦斯涌出問題。為分析工作面回采期間各瓦斯源涌出情況，在3303工作面采用U+I型通風方式下，對工作面回采期間的進尺情況、回風巷配風量及風排瓦斯濃度、瓦斯巷配風量及風排瓦斯濃度、高位鉆孔抽采瓦斯量及抽采濃度、上隅角抽采瓦斯量及抽采濃度等數據進行了統計、整理。

3303工作面推進距離與工作面瓦斯涌出量之間的關系如圖1所示。

圖1 3303工作面推進距離與工作面瓦斯涌出量之間的關系

從圖1可知，3303工作面從回采開始至20 m處(第一次周期來壓之前)瓦斯來源是本煤層瓦斯涌出，平均瓦斯涌出量為15.67 m3/min；周期來壓后，瓦斯涌出量最大達到35 m3/min，平均瓦斯涌出量為26.98于m3/min，此時瓦斯涌出來源是本煤層和鄰近層(采空區)瓦斯涌出。因此，工作面回采期間開采層瓦斯涌出所占比例為58.0%，鄰近層(采空區)瓦斯涌出所占比例為42.0%。

3303工作面瓦斯抽排量隨工作面推進距離變化關系如圖2所示。

結合整縣整鄉推進、集中治理的要求和洪澤縣內水系分布現狀，綜合考慮防洪除澇、灌溉供水、水環境改善等方面的要求，同時結合洪澤縣新農村建設規劃、鄉鎮建設規劃、土地利用總體規劃等相關規劃要求，確定洪澤縣中小河流重點縣綜合整治工程規劃治理范圍為洪澤湖大堤以東地區，南到入江水道，東到白馬湖，北到蘇北灌溉總渠，涉及高良澗、朱壩、黃集等9個鎮。

圖2 3303工作面瓦斯抽排量隨工作面推進距離變化關系

從圖2可以看出，3303工作面回采前期，瓦斯巷平均排放瓦斯量為12.34 m3/min，最大值為17.24 m3/min；回風巷平均排放瓦斯量3.04 m3/min；高位鉆孔+上隅角平均總抽采量4.67 m3/min。同時，3303工作面平均風排瓦斯量達15.38 m3/min，占工作面瓦斯涌出總量的76.7%，說明大陽煤礦工作面回采期間主要依靠通風的方法解決工作面瓦斯涌出問題。

工作面煤壁及工作面落煤涌出瓦斯主要依靠風排瓦斯的方法解決；工作面采空區瓦斯涌出及鄰近層瓦斯涌出主要依靠上隅角埋管抽采、高位鉆孔瓦斯抽采的方法解決。將3303工作面回采期間，瓦斯巷、回風巷、高位鉆孔、上隅角抽排瓦斯情況進行匯總，如表1所示。

表1 3303工作面回采期間瓦斯抽排情況

根據表1可知，3303工作面在抽排瓦斯的過程中，以風排瓦斯為主，抽采瓦斯為輔。工作面回采期間，風排瓦斯比例為76.7%，抽采瓦斯比例為23.3%，且瓦斯巷風排瓦斯所占比例最大為61.54%，因此，當3303工作面由U+I型通風方式改變為U型通風方式后，瓦斯巷的取消將導致原瓦斯巷排放的瓦斯問題成為工作面瓦斯治理的主要難題。

3 基于模糊分析的U型通風方式下工作面瓦斯抽采方案優選

3.1 抽采方案

針對大陽煤礦由U+I型通風改為U型通風，再結合煤礦實際情況，分析和提出以下可行的本煤層和鄰近層(采空區)的瓦斯抽采措施：本煤層瓦斯抽采措施為工作面順層斜向平行孔、本煤層定向水平長鉆孔；鄰近層(采空區)瓦斯抽采措施為分段頂板走向高位鉆孔、頂板走向高抽巷、頂板走向高位水平長鉆孔、地面鉆井抽采。

(1)方案一：順層斜向平行孔+分段頂板走向高位鉆孔+上隅角埋管；

(2)方案二：順層斜向平行孔+頂板走向高抽巷+上隅角埋管；

(3)方案三：順層斜向平行孔+高位定向水平長鉆孔+上隅角埋管；

(5)方案五：開采層定向水平長鉆孔+地面鉆孔+上隅角埋管；

(6)方案六：開采層定向水平長鉆孔+高位定向水平長鉆孔+上隅角埋管。

3.2 方案的定性與定量分析

建立的指標體系包括安全可靠性、技術可行性、工程投資、施工工期4個方面。其中，安全可靠性為基本條件，所有瓦斯治理方案必須滿足。在此前提下，對各方案的其余指標進行模糊數學對比分析。

(1)技術可行性定性指標。結合大陽煤礦生產實際及晉城礦區的經驗，將技術可行性指標定量化如下：

(1)

對前面量化后的評價指標數值進行歸一化，統一轉換在[-1，1]范圍內。可令規范化的值為：

(2)

(2)工程投資。工程投資包括地面鉆孔、頂板高抽巷、鉆場、穿層鉆孔、順層鉆孔等多種抽采方法，涉及的相關現場施工鉆孔單價、鉆場單價、巷道掘進單價均以礦井實際單價為準，經統計分析后對工程投資進行歸一化處理。

(3)

由于不同的施工方法的投資額不盡相同，需要依據投資額和施工難易程度賦予各種施工方法不同的權重，各種工程的權重分別為：地面鉆孔0.3，高抽巷0.25，鉆場0.2，穿層鉆孔0.15，順層鉆孔0.1，即wi=[0.30 0.25 0.20 0.15 0.10]。可得到6種方案的工程投資的單項評價指標：rg=[0.16 0.27 0.09 0.17 0.19 0.12]。

(3)施工工期。由于各方案涉及施工不同的鉆孔組合，依據工作面實際情況，順層鉆孔工程量為100200 m，每臺鉆機的效率為160 m/d，采用兩臺鉆機同時施工鉆孔，采用千米鉆機施工的高位定向水平長鉆孔和開采層定向水平長鉆孔施工時間較短，可在順層鉆孔的預抽期內完成施工；地面鉆孔施工周期一般為29 d，共需要預抽時間均為6個月，則經計算各方案施工工期分別為16.4月、15.4月、16.4月、16.4月、16.8月、16.8月。

綜合考慮安全可靠性、技術可行性、工程投資、施工工期4個指標，其中，技術可行性指標越高越好，與預期效果成正相關，取正值；工程投資、施工工期指標越低越好，與預期效果成負相關，取負值。可以得出不同區域方案的評價指標如式(4)所示。

由于不同評價指標的重要程度不同，需要賦予評價指標不同的權重，根據經驗，各種評價指標的權重：技術可行性0.3，施工工程量0.2，工程投資0.2，建設周期0.3。可以得到模糊綜合評判的評價結果B=[0.098 -0.018 0.101 -0.089 -0.062 0.155]。

(4)

模糊綜合評判的評價值越高表示方案越優，因此，得到各方案優越性按照從高到低的順序為：方案六、方案三、方案一、方案二、方案五、方案四。

5 結論

(1)大陽煤礦工作面在采用U+I型通風方式時，瓦斯治理以風排瓦斯為主，抽采瓦斯為輔，其中，瓦斯巷風排瓦斯比例占總瓦斯涌出的比例最大，達到61.54%；當工作面通風方式改為U型通風方式后，瓦斯巷取消，工作面風排瓦斯能力大大降低，解決原瓦斯巷排放的瓦斯成為工作面瓦斯治理的重點，需要優選高效經濟的瓦斯抽采措施。

(2)基于模糊分析的方法從安全可靠性、技術可行性、工程投資、施工工期4個方面對大陽煤礦工作面改為U型通風方式后瓦斯治理方案進行了優選，最優方案為方案六，次優方案為方案三，第三為方案一，第四為方案二，第五為方案五，第六為方案四。

(3)除最優瓦斯抽采方案六外，大陽煤礦可依據采掘工作面的準備、接替情況以及千米鉆機的購置情況等，在生產實踐中依次選擇優選后的瓦斯抽采方案。

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(責任編輯 張艷華)

《河南省“十三五”能源發展規劃》出臺

河南省政府出臺《河南省“十三五”能源發展規劃》(以下簡稱《規劃》)。《規劃》稱，到2020年，河南省要基本形成清潔低碳、安全高效的現代能源體系，力求最大限度降低能源活動對環境的不良影響。《規劃》提出，“十三五”時期河南省能源發展主要目標如下：能源消費總量控制在2.67億t標準煤以內，煤炭消費總量控制在2.62億t原煤以內，全社會用電量3760億kWh左右；非化石能源占能源消費總量的比重達到7%以上，天然氣占能源消費總量的比重達到7.5%；全省電力裝機總容量達到8700萬kW，其中非化石能源發電裝機突破1400萬kW。《規劃》提出要發揮河南省資源和區位優勢，順應能源發展新形勢，優化“四基地、一樞紐、兩中心”總體布局，重點建設清潔煤炭基地、先進生物質能示范基地、綠色煤電基地、中原煉化基地，提升省內能源清潔生產水平和有效供給能力；建設全國電力聯網樞紐、全國重要煤炭儲配中心、區域性油氣輸配中心，擴大省外能源利用規模，形成內節外引、多渠道、多元化的能源保障格局。

Optimization of U-shaped ventilation working face gas control scheme

Chen Tao1, Meng Hailong2, Zhang Biao2

(1. College of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454010, China;2. Shanxi Lanhua Sci-tech Venture Co., Ltd., Dayang Mine Branch, Jincheng, Shanxi 048000, China)

In order to solve the problem that gas drainage capability of working face was weakened dramatically after the U+I-shaped ventilation was replaced by U-shaped, this paper analyzed gas influx proportion composition during back mining, and proposed 6 feasible alternatives for gas drainage measures of current and nearby coal seams. Fuzzy mathematics methodology was conducted to choose the optimal scheme for gas drainage at workingface.

U-shaped ventilation, U+I-shaped ventilation, gas drainage, fuzzy mathematics, scheme optimization

陳滔，孟海龍，張標. U型通風工作面瓦斯治理方案優選[J].中國煤炭,2017,43(2)：114-117. Chen Tao, Meng Hailong, Zhang Biao. Optimization of U-shaped ventilation working face gas control scheme[J]. China Coal,2017,43(2):114-117.

TD712.6

A

陳滔(1991-)，男，湖南湘潭人，碩士，現就讀于河南理工大學，主要從事礦井瓦斯防治方面的研究。