高瓦斯工作面通風方式的適用性分析及瓦斯防治技術

朱曉慧

(山西霍爾辛赫煤業有限責任公司,山西 長治 046600)

山西霍爾辛赫煤礦年產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、節約利用的要求;2)聯絡巷之間普遍有串風和漏風的現象,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《煤礦安全規程》(2016版)的規定[2]。因此,雙U型通風方式已經不適合霍爾辛赫煤礦安全、高效生產的要求，亟需尋求更適合霍爾辛赫煤礦井下生產條件的通風方式以及相對應的瓦斯治理技術。

1 不同通風方式優缺點分析

目前,各礦區根據自身生產地質條件的不同,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、通風系統管理以及風排瓦斯等方面,對比分析了各通風方式的優缺點及適應性。

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型通風方式的優點是:工作面風流較穩定,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:為了形成通風系統需要施工四條工作面回采巷道及大量的聯絡巷,大大增加了巷道掘進工程量;并且較多的聯絡巷導致漏風量也相應增多,增大了通風系統的管理難度;切頂線以里排瓦斯巷、聯絡巷和上隅角通道維護工程量大，降低了采區回采率。

目前,《煤礦安全規程》(2016版)取消了專用排瓦斯巷的規定,因此所有回采巷道均按工作面回風巷道管理,即瓦斯濃度不得超過1%,雙U型通風方式越來越難以滿足高瓦斯礦井高產高效的要求。

1.2 單U型通風方式

單U型通風方式是一進一回,優點是通風系統簡單、通風構筑物少、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量較大的高瓦斯工作面必須結合相對應的瓦斯治理技術,才能有效防治工作面瓦斯超限。

1.3 Y型通風方式

該系統風流為兩進一回,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型通風方式的優點是改變了U型通風方式下上隅角區域風量小、循環風的存在的缺點,從根本上解決了上隅角瓦斯積聚難題，而且運煤、運設備、供電、供水等管線都在新風流中,在回風巷內既無電纜、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環境[5-6]。

圖2 Y型通風系統示意圖Fig.2 Y-shaped ventilation

Y型通風方式的缺點是該系統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,并加強瓦斯監測監控;同時,這種通風系統需要在采空區中維護一條巷道,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

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絡巷,不需要掘進邊界集中回風巷,節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掘進到位,此外,還需要每隔一定距離施工一個聯絡巷,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沿流線方向流動,最后經沿空留巷排出。采空區瓦斯濃度分布為:沿走向靠近采空內部瓦斯濃度較高,沿傾斜靠近沿空留巷瓦斯濃度較高。

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的高濃度瓦斯,并控制深部采空區瓦斯向工作面回風側涌出[7]。

2 通風系統的選擇與優化

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,計劃工作面日產量9 000 t。

根據礦井已經實踐的通風方式及瓦斯治理技術,結合礦井工作面風量、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,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瓦斯濃度降低的影響較大。

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,所以對采空區淺部瓦斯影響較大,但對采空區深部影響較小。

2)當鉆孔成孔層位于裂隙帶與下沉帶之間時,對采空區淺部瓦斯濃度影響變化不明顯,但對采空區深部影響較明顯,原因是鉆孔位于裂隙下沉帶內,受到裂隙帶垮落的影響,其所在巖層雖然出現大量裂隙發育,但鉆孔未遭到完全破壞,為鉆孔抽采采空區深部瓦斯創造了條件。

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育,不利于形成瓦斯滲流通道,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,且回風流瓦斯濃度不得超過0.8%,考慮瓦斯涌出不均衡系數,經計算工作面需要配風量為4 400 m3/min ～4 800 m3/min，而現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采空區瓦斯抽采量需要達到12 m3/min左右。根據以前3103綜放工作面已經施工的普通頂板裂隙帶鉆孔的抽采效果來看,采空區瓦斯抽采量為7 m3/min ～8 m3/min,通過高位鉆孔抽采采空區瓦斯難度較大。

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,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聯通,采空區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,采空區瓦斯通過預先鋪設的抽采管被抽出采空區[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,正常回采過程中抽出的瓦斯濃度穩定。目前在潞安礦區開展的試驗取得了預期效果。

潞安礦區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,在日產量8 000 t～10 000 t的條件下,上隅角、回風巷瓦斯濃度為0.6%。

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育時,抽采效果較差,需要輔助采空區抽采鉆孔等抽采方式。

根據霍爾辛赫井下實際情況計算高抽巷的經濟投入,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,日產量7 000 t。

3601工作面采用偏Y型通風方式后,前后調風兩次,試驗結果為:

1)初期配風3 050 m3/min,回風流最大瓦斯濃度0.64%,回風流平均瓦斯濃度0.41%,工作面最大瓦斯濃度0.78%,工作面平均瓦斯濃度0.24%。

2)后期配風量調整為2 200 m3/min,回風流最大瓦斯濃度0.79%,回風流平均瓦斯濃度0.51%,工作面最大瓦斯濃度0.79%,工作面平均瓦斯濃度0.25%。

可以看出,在配風量較低的情況下,工作面及回風流瓦斯濃度均有所增加,但并未造成瓦斯超限。

根據沿空留巷采空區瓦斯分布規律可知,在距工作面較近的采空區內,由于風流流動方向是從進風側流向回風側,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濃度較低,但有瓦斯濃度較高的區域向采空區深部運移的趨勢。

根據綜放面采空區瓦斯分布規律可知,在采空區內回風平巷側100 m～120 m處存在高濃度瓦斯富集區域,高濃度瓦斯會隨著采空區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高濃度瓦斯，從本質上治理涌向工作面及沿空留巷的采空區高濃度瓦斯。

根據礦井試驗的應用情況可知,采空區插管抽采量為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上是可行的。

2.2 通風方式及瓦斯治理技術的分析

通過前面的技術可行性分析,選擇技術可行的通風方式及相對應的瓦斯治理技術再進行經濟對比,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，結合經濟投入和可行性的優缺點綜合分析。

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,礦井可根據采掘部署合理選擇。

3 結論

1)從巷道布置、風流分配、通風系統管理以及風排瓦斯等方面,對比分析了各通風方式的優缺點及適應性。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，并提出必須結合相應的瓦斯抽采措施,才能有效解決工作面及采空區的瓦斯涌出。

2)根據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瓦斯涌出量,最終實現霍爾辛赫高瓦斯工作面的安全高效開采。