U型通風工作面防治上隅角瓦斯超限技術研究

2020-04-23 08:08:54胡保有

山西化工 2020年1期

胡保有

(山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西晉城 048212)

引言

近年來，隨著我國煤礦機械化水平的提高和開采工藝的發展，尤其是綜合機械化放頂煤開采技術的投入使用，革新了我國厚煤層的開采方法，實現了厚煤層的高產高效開采，但與此同時，隨著開采強度和開采規模不斷加大，開采速度也隨之加快，導致綜放工作面瓦斯涌出量大且不均衡，上隅角瓦斯濃度頻繁超限，嚴重制約著礦井的安全高效生產。為解決U型通風工作面上隅角及回風流中瓦斯超限問題，國內外學者經過不斷探索與實踐，皆取得了不錯的成果[1-5]。本文基于W1301 U型通風綜放面上隅角超限頻繁現象，分析了其上隅角瓦斯超限原因，并對瓦斯治理技術進行優選，最終選取布置頂板走向高抽巷對采空區、鄰近層瓦斯進行抽采，較好地解決了工作面回采期間上隅角瓦斯超限問題，保證了工作面的安全、高效生產。

1 工程概況

W1301工作面為某礦的首采工作面，年產量3 Mt，主采3#煤層，結構簡單，平均厚度6.2 m，屬于高瓦斯煤層。W1301工作面采用U型通風方式，綜采放頂煤開采，采高3 m，放高3.2 m，全部垮落法管理頂板，走向長2 086 m，傾向長200 m。瓦斯的基本參數如表1所示。

表1 煤層瓦斯基本參數

2 瓦斯超限原因分析

根據通風理論，在U型通風的回采工作面中，由于進、回風巷風流的壓差作用，從進風巷進入工作面的風流分為兩部分：一部分直接流入工作面，清洗工作面后匯入回風巷；另一部分會漏入采空區，漏入采空區的部分風流在工作面上部逐漸進入回采空間，最后通過在上隅角匯集后進入回風流[6]。通過對上隅角處風流分析可知，上隅角靠近采空區和巷幫側的風流流速較小，且局部區域風流處于渦流狀態，從而導致采空區涌出的高濃度瓦斯在渦流區無法進入回風流中。如果上隅角出現漏風現象，采空區瓦斯在漏風流壓差的作用下會從采空區漏風區流出積聚在上隅角處。通過現場觀測分析認為，這也是U型通風系統下W1301綜放面上隅角瓦斯時常超限的主要原因。

工作面瓦斯來源主要包括煤體賦存瓦斯釋放和采空區及鄰近層瓦斯涌出，通過現場觀測，除了U型通風方式造成工作面上隅角瓦斯超限外，本工作面采空區瓦斯、煤體瓦斯和鄰近層瓦斯也是造成上隅角瓦斯超限的根本原因。W1301工作面采用綜采放頂煤開采工藝，采空區內遺煤會釋放一定量的瓦斯；煤體瓦斯是工作面回采過程中煤體受采動影響釋放部分瓦斯，W1301工作面所采3#煤層局部厚度變化較大，推進過程中遇到瓦斯異常增大，故引起工作面瓦斯濃度增大；受工作面采動影響，頂板覆巖內含瓦斯煤巖層卸壓，大量瓦斯解吸，在壓力梯度的作用下涌向工作面，導致工作面瓦斯涌出量增大，這也是引起上隅角瓦斯超限的重要原因。

3 上隅角瓦斯超限治理技術分析

3.1 上隅角瓦斯超限治理技術的選擇

目前，在解決工作面瓦斯超限、上隅角瓦斯積聚方面，主要措施有改變工作面的通風系統、增加工作面的配風量、提升對工作面的瓦斯抽采能力等。改變工作面通風系統，不少高瓦斯礦井采用兩進兩回、三進一回的雙U型通風系統，內、外U通風系統通過橫貫聯通，該系統可以很好地解決上隅角瓦斯超限的問題，但同時由于掘進巷道數量較多，工程量大，造成礦井的采掘接替緊張，且外聯絡巷多，增大了采空區漏風，給礦井帶來較大的通風管理壓力；增加工作面配風量在一定程度上可以稀釋工作面的瓦斯，與此同時也增大了工作面與采空區的壓力差，使得采空區瓦斯更容易涌向工作面。在采空區瓦斯抽采方面，現在普遍采取的抽采措施是鉆孔和高抽巷抽采。鉆孔抽采瓦斯具有施工簡單、快速抽采等特點，但其抽采效果受到諸多限制，如，抽采時間、設備等，且深部煤層透氣性差，抽采效果不理想。研究與實踐證明，在工作面頂板煤巖層中布置走向高抽巷是抽放采空區瓦斯的有效手段，并且在我國不少高瓦斯礦區得到了廣泛使用。

走向高抽巷抽放量大，抽采時間長，回采過程中抽出的瓦斯濃度穩定；隨著工作面不斷向前推進，覆巖裂隙發育程度越好，高抽巷的抽放效果也越好，對治理上隅角瓦斯超限發揮了很大作用。目前已形成“U+高抽巷”的瓦斯防控模式，其原理是受采動影響，工作面頂板覆巖原巖應力破壞產生大量裂隙，為煤巖層中的卸壓瓦斯提供了積聚空間和運移通道，而高抽巷在抽采負壓的作用下通過裂隙通道抽出采空區裂隙帶內的卸壓瓦斯，從根本上解決因采空區瓦斯涌出造成工作面上隅角瓦斯超限進而達到治理采空區瓦斯的目的。

3.2 走向高抽巷瓦斯抽采原理

煤層開采后，受采動影響，煤層頂板巖層發生彎曲下沉、變形進而形成裂隙。隨著工作面不斷向前推進，裂隙逐漸發育，采空區在垂直向上自下而上形成“三帶”分布，即，冒落帶、裂隙帶及彎曲下沉帶。“三帶”可導通鄰近煤巖層，使得鄰近含瓦斯煤巖層卸壓，瓦斯大量解吸，增加了工作面和采空區瓦斯源。采空區可看作是多孔介質，根據多孔介質的特性，采空區瓦斯在漏風流的作用下帶到回風側，造成上隅角瓦斯超限。由于瓦斯密度較空氣小，受升浮作用，覆巖裂隙中將積聚大量瓦斯，從而形成瓦斯富集區。如圖1所示，正是利用瓦斯的這一特性，沿走向在工作面回風側煤層頂板覆巖內布置高抽巷，利用采動覆巖裂隙及高抽巷作為瓦斯運移通道，在抽放負壓的作用下，鄰近層卸壓瓦斯、采空區瓦斯經裂隙進入高抽巷被抽出，防止瓦斯涌向工作面造成上隅角瓦斯超限。因此，高抽巷對治理采空區瓦斯積聚及防止工作面上隅角瓦斯超限具有良好效果。

圖1 高抽巷抽采瓦斯示意圖

4 高抽巷位置參數確定

4.1 高抽巷層位確定

理論上講，高抽巷的布置位置應有效攔截鄰近層瓦斯，改變采空區瓦斯流場，高效抽采采動裂隙內的高濃度瓦斯，若布置層位較高，高抽巷所在位置裂隙發育程度較低，不能形成良好的瓦斯運移通道，瓦斯不能及時被抽出，容易造成上隅角瓦斯超限；若層位較低，受下部巖層冒落的影響，高抽巷可能被破壞，影響瓦斯抽采效果。綜合考慮工作面漏風問題，根據理論分析及工程經驗，高抽巷應布置在裂隙帶下部且靠近冒落帶。因此，確定冒落帶及裂隙帶的高度極為重要。

確定冒落帶和裂隙帶高度的方法有經驗公式法、數值模擬法及現場觀測法等，筆者結合經驗公式理論計算和現場觀測，確定了冒落帶和裂隙帶的高度[7]。

根據W1301綜放面現場實際情況，W1301綜放面上覆巖層為中硬巖層，采用式(1)和式(2)計算冒落帶和裂隙帶高度。

冒落帶高度：

(1)

裂隙帶高度：

(2)

式中：Hm為冒落帶高度，m；Hl為裂隙帶高度，m；M為煤層厚度，取6.2 m。

經計算，冒落帶高度為10.7 m～15.1 m；裂隙帶高度為40.3 m～51.5 m。

為進一步確定冒落帶和裂隙帶的高度，現場采用仰孔分段注水技術對兩帶高度進行觀測。仰孔分段注水技術是一種通過鉆孔漏水量來判斷巖層裂隙發育程度的新型技術，其原理是向覆巖層內施工鉆孔并進行封堵，然后以恒定壓力向鉆孔封堵段注水，通過觀測鉆孔漏水量的情況來判斷巖層的裂隙發育情況。鉆孔布置方案如圖2所示，布置3組測站，每組施工5個鉆孔，觀測不同位置的漏水量，分別得到3組的漏水情況，將觀測結果進行計算轉化，可得冒落帶和裂隙帶的最大高度分別為18 m和57 m。該結果與通過經驗公式計算得到的高度基本吻合。根據高抽巷應布置在裂隙帶內且靠近冒落帶的原則，選取高抽巷距煤層頂板的垂直距離為25 m。

圖2 仰孔注水鉆孔布置方案

4.2 高抽巷距回風巷水平距離確定

高抽巷與回風巷的水平距離主要取決于煤層頂板覆巖的物理性質、巖層冒落角等，根據采動裂隙“O”型圈理論，為降低應力集中的影響，同時考慮巖層冒落角，高抽巷應布置在覆巖冒落角內的離層區[8]。高抽巷距里回風巷的水平距離L應該滿足：

其中：H為高抽巷垂直層位高度，m；α為煤層傾角，(°)；β為冒落角，(°)；S為工作面長度，m。

根據高抽巷距煤層頂板的垂直距離為25 m，確定高抽巷距回風巷的水平距離為1 065 m，考慮到與回風巷之間的影響，確定高抽巷與回風巷的水平距離為18 m。

5 抽采效果檢驗

根據現場經驗，W1301綜放面高抽巷斷面設計為矩形，其高為3 m，寬為3 m,沿工作面走向布置，距煤層頂板的垂直距離為25 m，與回風巷的水平距離為18 m。高抽巷投入使用后，根據現場記錄數據，高抽巷的平均瓦斯抽采純量為41.28 m3/min，占瓦斯涌出量的74.46%，瓦斯抽采濃度平均為9.21%，最高可達10.36%。W1301綜放面高抽巷抽采瓦斯濃度和上隅角瓦斯濃度變化曲線如圖3所示。可以看出，工作面回采期間上隅角瓦斯濃度平均0.42%，最大0.54%，且高抽巷抽采瓦斯濃度逐漸增大，上隅角瓦斯濃度在不斷降低，這說明高抽巷在發揮作用，同時也證明了高抽巷可以較好地治理工作面瓦斯。