新景礦綜采工作面Y型通風瓦斯治理技術

劉 飛

(山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000)

0 引言

沿空留巷即在工作面回采過程中保留維護原有巷道作為下一工作面進風巷使用，有效實現了無煤柱護巷和資源節約高效開采[1]。對于吸附性強、瓦斯含量大的煤層，雖然采用先抽后采、邊采邊抽的治理方式取得了一定效果，但由于工作面回采單位時間內涌出的瓦斯量大，采用U型通風方式工作面上隅角及回風順槽瓦斯含量經常超標，嚴重威脅工作面的安全和高效生產，瓦斯問題一直沒有得到徹底解決，隨著開采深度和開采強度的增加，瓦斯災害威脅日益嚴重[2]。沿空留巷技術實現了Y型通風，消除了U型通風上隅角產生渦流而導致瓦斯積聚的現象[3]。但回采過程中留巷側緊鄰采空區，風流負壓下帶出采空區留煤瓦斯，同時上覆鄰近層卸壓瓦斯也會涌入工作面，留巷段及回風巷瓦斯超限現象時有發生，因此在保持Y型通風基礎上，配合采空區和鄰近層抽放技術才能有效解決工作面瓦斯超限，才能提高安全開采水平。

1 工作面概況

新景礦位于陽泉市西部，井田面積64.747 km2，其中3#煤層為突出煤層，屬于煤與瓦斯突出礦井。3213綜采工作面井下位于佛洼采區南翼中部，東為7211工作面(已采)，北隔采區大巷為3214工作面(正采)，西為3215工作面(正掘)，南為太舊高速公路保護煤柱。工作面位于525水平，地面標高977～1 078 m，工作面標高451～522 m，埋藏深度為450～490 m。工作面采長231～222 m，可采走向長1 533 m；煤層總厚1.62～2.88 m，平均煤厚2.50 m，煤體容重為1.4 t/m3，回采率為95%，可采儲量為111.79萬t，煤體瓦斯壓力0.75～1.57 MPa，瓦斯含量7.3～17.82 m3/t，為典型的高突工作面。

工作面直接頂為1.25 m的灰黑色砂質泥巖，含植物化石，局部受老頂砂巖沖蝕不存在。基本頂為5.3 m的中粒砂巖，直接底為1.6 m的灰黑色砂質泥巖，頂板較為穩固，回采過程中很少出現冒頂事故，適用于沿空留巷柔模支護技術。

2 沿空留巷Y型通風布置方式

沿空留巷是將上一工作面的順槽保留下來留給下一個工作面使用，因此可以回收留設的保安煤柱，節約了大量的煤炭資源，并且少掘一條巷道，有利于采掘部署[4]。沿空留巷采用的兩進一回的Y型通風方式，即工作面的上、下巷同時進風，另一條巷回風，這種通風方式可以有效防止上隅角瓦斯積聚，并且各種設備、管道都在新鮮風流中，極大地提高了回風巷的安全性[5]。3213回采工作面共設計有4條通風巷道：1條進風巷，1條第二輔助進風巷，1條第一輔助進風巷，1條回風巷，即“三進一回”Y型通風系統，輔助進風巷通過“柔模”支護沿采空區留巷。第一輔助進風巷沿空留巷段采用“柔模”內填充鋼筋混凝土巷旁支護，每段“柔模”尺寸為長3 m，高2.5 m，寬1.5 m。留巷段由于礦壓劇烈，巷道變形嚴重，每隔5 m間距左右交錯加設木垛支撐巷道頂板。沿空留巷布置方式如圖1所示。

圖1 沿空留巷布置圖

工作面配風設置為進風巷1 728 m3/min，第一輔助進風巷798 m3/min，第二輔助進風巷448 m3/min，回風巷2 982 m3/min。輔助進風巷留巷段通過橫貫與回風巷貫通，工作面污風經回采工作面通過留巷段沿著回采反方向流動，同時采空區瓦斯也流向留巷段與工作面污風混合后匯入回風巷，采空區瓦斯流動方向如圖2所示。

圖2 采空區瓦斯流動方向示意圖

3 工作面瓦斯來源及抽采方式

3.1 工作面瓦斯來源

從3#煤層鄰近層關系及具體開采情況來看，工作面瓦斯涌出來源主要是開采層涌出。開采層瓦斯涌出包括煤壁瓦斯涌出、本煤層落煤和采空區丟煤瓦斯涌出和工作面下隅角管理不夠，漏風較嚴重。回風上下隅角放頂不及時，導致存在較大空間，如上隅角后方由于瓦斯大量涌出，風流中有大量瓦斯。3213工作面瓦斯涌出情況見表1。

表1 3213工作面瓦斯涌出情況

3.2 回采前瓦斯抽采方式

在回風順槽和運輸順槽內，鉆孔設計927個，單孔深度120 m，鉆孔間距1.5 m，共計安裝主管路900 m，評價單元9個，目前工作面抽采濃度為21%，抽采負壓為15.9 kPa，混合量55.92 m3/min，純量11.7 m3/min。經過8個月的抽采，煤層瓦斯含量由平均12.82 m3/t降為7.9 m3/t，累計抽放瓦斯130 000 m3左右，在回采前的抽采大大降低了瓦斯含量，提高了抽放量。

4 采空區瓦斯治理措施及改進

4.1 預埋管路抽放采空區瓦斯

采空區遺煤瓦斯不斷涌出積聚，進而在風流負壓下涌向沿空留巷段和回風巷內，易造成瓦斯超限[6-7]。為保證較高的瓦斯抽采率和工作面安全生產，采用預埋管路的方法抽取采空區涌出的瓦斯。具體方法是，利用現有瓦斯抽采系統在回風巷新安設一趟φ530 mm的瓦斯抽放管，伸入回風巷閉墻以里700 mm，利用瓦斯抽采負壓形成的引導動力，對采空區瓦斯進行定向引流，采空區及封閉區積聚的瓦斯流入抽放管路中，從而減少瓦斯向留巷段及回風巷的涌出。留巷與回風巷每過一個橫貫封閉一次，并啟封下一橫貫臨時閉墻作通風聯絡巷用，每封閉一次，將上一閉墻外瓦斯抽放管路截斷，使每次瓦斯抽放管均伸出新封閉墻700 mm用以抽采此段采空區涌出的瓦斯。預埋管路抽放采空區瓦斯布置如圖3所示。

圖3 預埋管路抽采布置圖

4.2 鄰近層鉆孔抽采卸壓瓦斯

上鄰近層處于不同的變形帶，煤層卸壓及瓦斯釋放情況不同，處于垮落帶的近距離鄰近層，容易受到破壞而很快冒落，對抽放不利，處于裂隙帶的鄰近層，得到充分卸壓，利于抽放。工程實踐表明，鄰近層終孔布置于裂隙帶中下部抽采效果最佳，工程實踐表明，鄰近層終孔布置于裂隙帶中下部抽采效果最佳[8]。根據新景礦3213工作面圍巖地質情況及實踐，裂隙帶最大高度一般為8～10倍采高，即20～25 m，鄰近層鉆孔終孔垂高設計為15.3 m，伸入工作面投影長度25 m，鉆孔共設計126個，鉆孔長度51.8 m，設計角度17.2°。

當工作面周期來壓期間，由于上覆巖層受到采動區域影響來壓劇烈，頂板垮落變形，處于裂隙帶的1#、2#鄰近煤層受到頂板壓力影響出現大范圍變形斷裂。鄰近層原富含瓦斯的高應力區煤體得到卸壓，其賦存瓦斯劇烈涌出，由于鉆孔抽采范圍有限，無法滿足要求而致使出現采空區和上隅角瓦斯超限的危險，且單孔抽采范圍邊界區域抽采量很小。當周期來壓區域正好處于抽采范圍邊緣區，由于瓦斯涌出量大，鉆孔往往無法有效滿足抽采要求。因此，鉆孔間距既要小于周期來壓步距，又要使相鄰兩孔抽采范圍能有一定程度上的重疊交匯。根據對現場來壓統計，3213工作面周期來壓步距為12.5～14.8 m，平均為13.6 m。結合單孔抽采半徑，確定鄰近層鉆孔間距以10 m為宜。總設計工程量為6 526 m，布孔方案如圖4所示。

a-平面布置圖；b-剖面布置圖圖4 鄰近層鉆孔布置示意圖

4.3 瓦斯治理效果及改進計劃

3213綜采工作面應用沿空留巷Y型通風系統配合預埋管路抽采和鄰近層卸壓抽放等采空區瓦斯治理措施。通過監測統計可知，回風巷瓦斯濃度平均為0.6%，較原3214工作面回風瓦斯濃度0.8%下降了25%，上隅角瓦斯濃度控制在0.7%以下。工作面瓦斯總涌出量為59.64 m3/min，其中風排瓦斯量16.48 m3/min，降低了5.54 m3/min；瓦斯抽采量43.14 m3/min，增加了4.42 m3/min，抽采率為72.3%，提高了8.5%，瓦斯治理效果顯著。

工作面采用沿空留巷Y型通風技術通過改變采空區瓦斯流動方向有效改善了上隅角瓦斯積聚問題，但同時也帶來了一些問題。從現場情況來看，沿空留巷段礦壓顯現劇烈，巷道變形嚴重，最嚴重處行人通過出現一定困難。導致巷道風阻較大，對保障回風風量帶來了困難。因此如何有效降低沿空留巷段礦壓顯現問題是下一步突破沿空留巷技術瓶頸的關鍵，可以針對相關問題采取以下技術手段：①通過起底等方式增加巷道斷面，同時保證巷道表面的光滑度，從而減少巷道風阻；②成立礦壓研究小組，有針對性的對礦壓規律進行研究，根據實際情況制定專項支護方案；③推進水力壓裂切頂的項目的順利開展，通過水力壓裂技術切斷老頂，減小老頂破斷距的方式降低礦壓顯現。

5 結論

(1)工作面采用沿空留巷布置方法實現了Y型通風，對回風巷回采段采用柔模支護，有效改變了原U形通風采空區瓦斯流動方向，避免了渦流產生，大大減少了采空區漏風，避免回風上隅角瓦斯積聚。

(2)針對采空區遺煤瓦斯和鄰近層卸壓瓦斯涌出問題，應用了預埋管路抽放和鄰近層鉆孔等采空區瓦斯治理技術。結合工程地質實況，研究了鄰近鉆孔的合理布孔參數，確定布孔層位為距煤層15.3 m，布孔間距10 m。

(3)從應用效果來看，上隅角和回風瓦斯濃度保持在合理范圍內，回風巷瓦斯濃度降低了25%，上隅角瓦斯濃度控制在0.7%以下，有效保障了工作面的安全生產。